Une nouvelle théorie pour les semi-conducteurs faits de nanocristaux

Depuis quelques années, il est possible d'acheter des téléviseurs dont les couleurs brillantes sont produites grâce à la technologie QLED. Le «Q» est l'abréviation de «quantum dot». Les points quantiques sont des cristaux d'un matériau semi-conducteur qui ne font que quelques nanomètres et sont constitués de plusieurs milliers d'atomes. Ces nanocristaux sont si minuscules que les électrons qu'ils contiennent ne peuvent prendre que des états d'énergie mécanique quantique bien définis; lorsque les points quantiques sont éclairés par le rétroéclairage de l'écran de télévision, les sauts quantiques entre ces états émettent de la lumière d'une couleur spécifique.

Dans la prochaine génération de téléviseurs QLED, on espère que les points quantiques seront éclairés directement par un courant électrique au lieu d'être rétro-éclairés. Jusqu'à présent, cependant, on ne comprenait pas bien, d'un point de vue théorique, comment l'électricité est conduite à travers une fine couche de nanocristaux. Les scientifiques du département de technologie de l'information et de génie électrique de l'ETH Zurich, dirigés par la professeure Vanessa Wood, ont maintenant comblé cette lacune, comme ils le rapportent dans la revue Nature Communications.

Plus de matelas que de table

La façon dont l'électricité circule à travers des semi-conducteurs de taille non nanométrique est connue depuis plus de 90 ans, et il existe des logiciels spéciaux pour modéliser leur comportement. Industriellement, les propriétés électroniques des semi-conducteurs peuvent être contrôlées par l'addition ciblée d'atomes étrangers - le dopage - qui modifie le nombre de porteurs libres (électrons). En revanche, ces méthodes ne sont pas si faciles à appliquer aux semi-conducteurs, qui sont constitués de nombreux petits points quantiques nanocristallins.

Dans les nanocristaux, l'addition d'atomes étrangers ne conduit pas nécessairement à la gratuité des porteurs. En outre, les gratuités ne se comportent pas de la même manière. «Les porteurs de charge dans les semi-conducteurs normaux se déplacent comme des boules coniques roulant sur un plateau de table lisse, alors que dans un matériau nanocristallin, ils se comportent davantage comme des boules sur un matelas mou - ils s'enfoncent et les déforment», illustre la professeure Wood.

Une modélisation sophistiquée

Pour la modélisation théorique, cela signifie que les atomes du réseau cristallin du nanocristal semi-conducteur ne peuvent pas être simplement considérés comme des points de repos, comme c'est généralement le cas pour les semi-conducteurs normaux. «Nous devions plutôt décrire mathématiquement chacun des centaines de milliers d'atomes présents dans les nombreux nanocristaux de la matière, individuellement, et comment chacun de ces atomes interagit avec les porteurs de charge», explique Nuri Yazdani, qui a travaillé dans le groupe de Vanessa Wood en tant que doctorant et qui est le premier auteur de l'étude qui vient d'être publiée.

Au Centre suisse de calcul scientifique (CSCS) de Lugano, il a dirigé un programme informatique complexe dans lequel tous les détails du problème - le mouvement des électrons et des atomes et les interactions entre eux - ont été pris en compte. Nous voulions notamment comprendre comment les porteurs de charge se déplacent entre les nanocristaux individuels et pourquoi ils sont «piégés» et ne peuvent plus «avancer», explique M. Yazadani.

Les résultats de ces simulations informatiques ont été très instructifs. D'après ces résultats, les plus petites déformations des cristaux de quelques millièmes de nanomètre seulement causées par les électrons sont décisives pour la façon dont un matériau composé de nombreux nanocristaux conduit le courant électrique, ce qui entraîne une grande modification de l'énergie électrostatique. Lorsqu'une charge déforme le matériau, cela s'appelle un polaron et, selon les simulations de Nuri Yazdani, le courant circule entre les nanocristaux lorsque les polarons sautent d'un nanocristal à l'autre.

Un modèle pour tout

Le modèle explique comment les propriétés électroniques du semi-conducteur nanocristallin changent lorsque la taille des nanocristaux et leur densité de tassement dans le film varient. Pour tester les prédictions de leurs simulations, l'équipe de recherche a produit en laboratoire des couches minces de nanocristaux et a mesuré leur réponse électrique à différentes tensions et températures. Pour ce faire, ils ont généré des électrons libres avec une courte impulsion laser à une extrémité du matériau et ont observé leur arrivée à l'autre extrémité. Résultat: dans chacun des centaines de tests différents, la simulation informatique a parfaitement prédit les propriétés électriques.

«Après huit ans de travail intensif, nous avons ainsi créé un modèle qui explique enfin quantitativement non seulement nos expériences, mais aussi celles de nombreux autres groupes de recherche au cours des dernières années, déclare la professeure Wood. À l'avenir, un tel modèle permettra aux scientifiques et aux ingénieurs de calculer les propriétés d'un semi-conducteur nanocristallin avant même sa fabrication.» Cela devrait permettre, par exemple, d'optimiser ces matériaux pour des applications spécifiques. «Jusqu'à présent, cela s'est fait par tâtonnements», ajoute Vanessa Wood.

Grâce aux résultats des scientifiques de l'ETH Zurich, des semi-conducteurs utiles pourraient être développés à l'avenir à partir de matériaux nanocristallins pour une large gamme d'applications dans les capteurs, les lasers ou les LED - par exemple, également pour les téléviseurs. Comme la composition, la taille et la disposition des nanocristaux peuvent être contrôlées pendant leur fabrication, ces matériaux promettent un éventail de propriétés électriques beaucoup plus large que les semi-conducteurs traditionnels.