Surveillance innovante des points quantiques : Aperçu en temps réel de la croissance des nanoparticules

Cadmium telluride (CdTe) quantum dots of different sizes emitting light in response to excitation by UV laser. Crédit : Pedro Felipe Garcia Martins da Costa

La luminescence est le résultat d'un processus où un objet absorbe la lumière à une longueur d'onde et la réémet à une longueur d'onde différente. Au cours de ce processus, les électrons dans l'état fondamental du matériau absorbent la lumière et deviennent excités jusqu'à un état d'énergie supérieure. Après une période spécifique, unique à chaque état excité, les électrons retournent à des états d'énergie inférieurs, y compris l'état fondamental, et émettent de la lumière. Ce phénomène est utilisé dans un large éventail d'applications technologiques, impliquant des dispositifs émetteurs hautement efficaces et reproductibles qui peuvent être facilement miniaturisés.

Les matériaux ayant la plus grande efficacité de luminescence comprennent les points quantiques (QDs), actuellement utilisés dans les écrans haute résolution, les LED, les panneaux solaires et les capteurs de divers types, tels que ceux utilisés pour l'imagerie médicale de précision. La fonctionnalisation de la surface des QDs avec différents types de molécules permet l'interaction avec des structures cellulaires ou d'autres molécules d'intérêt dans le but d'étudier les processus biologiques au niveau moléculaire.

Les QDs sont des nanoparticules semi-conductrices dont les caractéristiques émissives sont directement liées à la taille des points, en raison du phénomène de confinement quantique. Pour cette raison, la surveillance et le contrôle de la croissance des cristaux lors de la synthèse des QDs en solution permet une planification intelligente de la luminescence souhaitée. Dans un article publié dans la revue Scientific Reports, des chercheurs dirigés par Andrea de Camargo, professeur à l'Institut de Physique de São Carlos (IFSC-USP) de l'Université de São Paulo au Brésil, et des collaborateurs de l'Université de Kiel en Allemagne, présentent une nouvelle approche de la surveillance de la formation de QD.

« Nous avons utilisé du tellurure de cadmium [CdTe] comme système modèle et contrôlé la croissance des nanoparticules dans une solution aqueuse chauffée grâce à une analyse de la luminescence in situ », déclare Pedro Felipe Garcia Martins da Costa, doctorant à l'IFSC-USP et premier auteur de l'article.

La technique permet aux scientifiques de voir ce qui se passe dans la solution en temps réel sans affecter la synthèse des QDs, de sorte qu'ils peuvent surveiller la croissance des cristaux en observant la couleur (longueur d'onde) de la lumière émise. « Les QDs sont synthétisés en mélangeant des solutions de précurseurs de cadmium (Cd2+) et de tellure (Te2-) en présence d'un réactif de contrôle de taille. La température est augmentée et la réaction chimique commence avec la formation de clusters d'ions tellurure et cadmium. Au fur et à mesure que la réaction progresse, des unités supplémentaires de CdTe rejoignent le cluster de manière sphérique dans un processus appelé auto-assemblage. La taille des nanoparticules peut être estimée grâce à une surveillance rapide et précise des fréquences d'émission. Les QDs de CdTe d'un diamètre de 1 à 2 nanomètres [nm] émettent dans les régions bleue et verte du spectre visible. Les QDs plus grands, mesurant de 4 à 5 nm, émettent à des fréquences plus basses, en jaune et en rouge respectivement », explique Leonnam Gotardo Merizio, chercheur postdoctoral à l'IFSC-USP et deuxième auteur de l'article.

De selon Costa, la nouvelle méthode présente plusieurs avantages par rapport à la stratégie de synthèse conventionnelle. « Avec la technique classique, il faut prendre de petits échantillons de la solution pour mesurer la taille des QD, mais la technique in situ permet de le faire pendant que le processus est en cours, sans avoir à interférer avec le milieu réactionnel pour prendre des échantillons, de sorte que plus de spectres peuvent être obtenus par unité de temps, le volume de réaction n'est pas affecté et les déchets inutiles sont évités. La couleur d'émission des QDs d'intérêt peut donc être contrôlée de manière beaucoup plus précise. L'équipement qui transmet la lumière d'excitation via une fibre optique à la longueur d'onde appropriée collecte également la lumière émise et détermine sa fréquence caractéristique dans le système de couleur RVB [rouge, vert et bleu]. Il convient de noter que le contrôle du système RVB est important pour la formation d'image dans plusieurs dispositifs luminescents, tels que les moniteurs et les écrans de smartphones », explique-t-il.

Les QDs synthétisés de cette manière ont également été caractérisés par diffraction des rayons X, microscopie électronique à transmission, spectroscopie d'absorption ultraviolette-visible et spectroscopie de vibration infrarouge.

L'existence des QDs a été prédite théoriquement en 1937 par Herbert Fröhlich (1905-91), un physicien germano-britannique. Dans les années 1980, Alexey Ekimov (né en 1945), alors en Union soviétique, et Louis Brus (né en 1943), aux États-Unis, ont observé indépendamment pour la première fois le confinement quantique dans les nanoparticules semi-conductrices. Dans les années 1990, le physicien franco-américain Moungi Bawendi (né en 1961) a développé des méthodes considérablement améliorées de synthèse des QD. En 2023, Ekimov, Brus et Bawendi ont reçu le prix Nobel de chimie pour leurs travaux dans le domaine.

«La restriction quantique confère aux QDs la capacité de confiner les électrons en trois dimensions, rendant les phénomènes quantiques plus évidents et les caractérisant comme des matériaux intermédiaires entre les atomes, les molécules et les réseaux cristallins plus grands», déclare Costa.

«De nombreux articles ont été publiés sur la synthèse de QDs à base de CdTe. La principale contribution de notre étude concerne le développement et l'application d'un système de mesure de luminescence in situ hautement polyvalent. La méthodologie nous a permis d'inférer la taille des nanoparticules cristallines et de caractériser la formation de composés intermédiaires dans les réactions chimiques par association in situ avec d'autres techniques permettant une analyse chimique et/ou structurale [FT-IR, Raman, DRX, etc]. Cette évolution de la synthèse optimise les rendements chimiques et permet d'économiser de l'énergie», déclare Camargo.

Référence : « Suivi en temps réel de la croissance des points quantiques de CdTe en solution aqueuse » par P. F. G. M. da Costa, L. G. Merízio, N. Wolff, H. Terraschke et A. S. S. de Camargo, 3 avril 2024, Scientific Reports. DOI : 10.1038/s41598-024-57810-8

L'étude a été financée par la Fondation de recherche de São Paulo.