Des matériaux en 2D pour créer de la lumière sur mesure

Publié par Adrien le 19/02/2020 à 08:00
Source: Université de Genève
Des chercheurs de l'UNIGE et de l'Université de Manchester ont découvert des structures basées sur des matériaux bidimensionnels qui permettent d'émettre de la lumière sur mesure et de la couleur que l'on souhaite.

Trouver de nouveaux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) semi-conducteurs émettant de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée...) est essentiel pour le développement de nombreux appareils électroniques. Mais réaliser des structures artificielles permettant d'émettre de la lumière taillée selon nos besoins spécifiques est d'autant plus attrayant. Toutefois, l'émission de lumière dans un semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant...) ne se produit que lorsque certaines conditions sont remplies. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Genève (L'université de Genève (UNIGE) est l'université publique du canton de Genève en Suisse. Fondée en 1559 par Jean Calvin, sous le nom d'Académie de Genève, comme un séminaire...) (UNIGE), en collaboration avec l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis,...) de Manchester, ont découvert une classe entière de matériaux bidimensionnels, de l'épaisseur d'un ou de quelques atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...), capables, une fois combinés, de former des structures qui permettent l'émission de lumière à la carte, c'est-à-dire de la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s)...) souhaitée. Cette recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...), publiée dans la revue Nature Materials, représente une étape importante vers la future industrialisation des matériaux bidimensionnels.


Vue artistique d'une jonction de différents matériaux 2D émettant de la lumière.
© Xavier Ravinet.

Les matériaux semi-conducteurs capables d'émettre de la lumière sont utilisés dans des secteurs aussi divers que les télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance d’information avec des moyens électroniques. Ce terme est plus...), les dispositifs électroluminescents (LED) ou le diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de δια-, dia-, „par, à travers, séparation, distinction“ et γν?ση, gnósi,...) dans le secteur médical. L'émission de lumière se produit lorsqu'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) saute à l'intérieur du semi-conducteur d'un niveau d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) supérieur à un niveau d'énergie inférieur. C'est ensuite la différence d'énergie qui détermine la couleur de la lumière émise. Pour que de la lumière soit produite, la vitesse (On distingue :) de l'électron avant et après le saut doit être exactement la même, une condition qui dépend du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison...) semi-conducteur considéré. Seuls certains semi-conducteurs peuvent être utilisés pour émettre de la lumière: le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) par exemple, utilisé pour réaliser nos ordinateurs, ne peut pas être employé pour fabriquer des dispositifs électroluminescents.

"Nous nous sommes alors demandés si des matériaux bidimensionnels pouvait être utilisés pour réaliser des structures qui émettent de la lumière avec la couleur souhaitée", explique Alberto Morpurgo, professeur au Département de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) quantique de la Faculté des sciences de l'UNIGE. Les matériaux bidimensionnels sont des cristaux parfaits qui, de la même manière que le graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.), ont l'épaisseur d'un ou de quelques atomes. Grâce à de récents progrès techniques, différents matériaux bidimensionnels peuvent être empilés les uns sur les autres pour former des structures artificielles qui se comportent comme des semi-conducteurs. L'avantage de ces "semi-conducteurs artificiels" est que les niveaux d'énergie peuvent être contrôlés en sélectionnant la composition chimique et l'épaisseur des matériaux formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et...) la structure.

"Des semi-conducteurs artificiels de ce genre ont été réalisés pour la première fois il y a seulement deux ou trois ans, expose Nicolas Ubrig, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les...) dans l'équipe du professeur Morpurgo. Lorsque les matériaux bidimensionnels ont exactement la même structure et que leurs cristaux sont parfaitement alignés, ce type de semi-conducteurs artificiels peuvent émettre de la lumière. Mais cela est très rare." Ces conditions sont si strictes qu'elles laissent peu de liberté pour contrôler l'émission de lumière.

De la lumière sans condition

"Notre objectif était d'arriver à combiner des matériaux bidimensionnels différents pour émettre de la lumière en s'affranchissant de toute contrainte", poursuit Alberto Morpurgo. L'idée des physiciens est que si l'on trouve une classe de matériaux pour laquelle la vitesse des électrons avant et après le changement de niveau d'énergie est nulle, nous sommes dans un cas idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde l'étude de la...) qui satisfait toujours les conditions pour l'émission de lumière, indépendamment des détails des réseaux cristallins et de leur orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) relative.

Un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de semi-conducteurs bidimensionnels connus ont une vitesse électronique nulle dans les niveaux d'énergie pertinents. Grâce à cette diversité de composés, de nombreux matériaux différents peuvent être combinés et chaque combinaison (Une combinaison peut être :) est un nouveau semi-conducteur artificiel émettant de la lumière d'une couleur spécifique. "Une fois que nous avons eu l'idée, il était facile de trouver les matériaux à utiliser pour la mettre en oeuvre", ajoute le professeur Vladimir Fal'ko de l'Université de Manchester. Les matériaux qui ont été utilisés dans la recherche comprennent différents dichalcogénures de métaux de transition (par exemple, MoS2, MoSe2 et WS2) et InSe. D'autres matériaux possibles ont été identifiés et seront utiles pour élargir la gamme de couleurs de la lumière émise par ces nouveaux semi-conducteurs artificiels.

De la lumière sur mesure pour une industrialisation de masse

"Le grand avantage de ces matériaux 2D, grâce au fait qu'il n'y a plus de conditions préalables à l'émission de la lumière, est d'offrir de nouvelles stratégies pour manipuler cette lumière comme bon nous semble, avec l'énergie et la couleur que l'on souhaite avoir", continue Nicolas Ubrig. Ceci permet d'imaginer des applications futures au niveau industriel, car cette lumière émise est robuste et qu'il n'y a plus besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les besoins...) de se préoccuper de l'alignement des atomes.

Cette collaboration entre l'UNIGE et l'Université de Manchester a eu lieu dans le cadre du EU Graphene Flagship Project.
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