Boîte quantique

Une boîte quantique ou point quantique, aussi connu sous son appellation anglophone de quantum dot, est une nanostructure de semi-conducteurs. De par sa taille et ses caractéristiques, elle se comporte comme un puits de potentiel qui confine les électrons (et les trous) dans les trois dimensions de l'espace, dans une région d'une taille de l'ordre de la longueur d'onde des électrons (longueur d'onde de De Broglie), soit quelques dizaines de nanomètres dans un semi-conducteur. Ce confinement donne aux boîtes quantiques des propriétés proches de celles d'un atome, raison pour laquelle les boites quantiques sont parfois qualifiées d' « atomes artificiels ».

Vue idéalisée d'une boîte quantique pyramidale d'arséniure d'indium (InAs) sur de l'arséniure de gallium (GaAs)

Description

La découverte des boîtes quantiques remonte aux années 1980, identifiées pour la première fois dans une matrice vitreuse (glass matrix) par Alexei Ekimov (en) et dans une solution colloïdale [1] par Louis E Brus (en). Le terme « point quantique » correspond au « quantum dot » anglais forgé par Mark Reed.

Les points quantiques peuvent être créés par plusieurs techniques telles que la synthèse colloïdale ou en utilisant des structures lithographiques [2]. Un autre type de points quantiques est celui des points quantiques épitaxiaux créés, par exemple, par la technique de Stransky-Krastanov. [3]. L’idée consiste à faire croître une hétérostructure à partir de deux matériaux semi-conducteurs de largeurs de bande interdite différentes et présentant une légère différence de paramètre de maille.

Des atomes du même élément chimique, l'indium est un bon candidat, sont assemblés de façon à former un « minuscule monolithe ». Ce dernier est composé de cinq couches successives : semi-conducteur, couche isolante, atomes d'indium, couche céramique et coiffe métallique. Par la suite, un électron surnuméraire, piégé dans la structure, amène les atomes d'indium (s'ils sont peu nombreux) à former un « atome collectif ». Si des électrons surnuméraires sont piégés, des orbitales apparaissent. Dès lors, ce point quantique est « une sorte d'atome virtuel holographique qui obéit aux règles de la mécanique quantique[4]. »

Une start-up israélienne[5] a développé des prototypes en phase pré-industrielle utilisant les boîtes quantiques (appelées nanodots) à base de composés organiques (des polypeptides d'une taille voisine de 2 nanomètres) dans le but de produire des batteries portables à chargement ultra-rapide (moins d'une minute pour la capacité nécessaire à un smartphone moderne), ainsi que des écrans d'affichage en couleur (comparable aux procédés AMOLED). A plus grande échelle, le procédé pourrait être une solution pour les véhicules électriques.

Applications

Les chercheurs ont étudié leur application dans les transistors, l'amélioration des cellules de panneaux photovoltaïques[6], l'émission de différentes longueurs d'onde dans les LEDs (« Diodes électroluminescentes quantiques » ou QD-LEDs) ou encore dans les faisceaux diodes en plus de leurs qualités dans l'imagerie médicale et le repérage de cellules cancéreuses.

Les points quantiques ont en plus une application dans l'informatique où des qubits (qunités) remplacent le système de 0 et 1 actuels.

Le procédé a l'avantage de ne pas nécessiter de terres rares (comme dans la plupart des technologies électroniques actuelles) et d'être beaucoup moins polluant à produire ou recycler que les batteries et écrans classiques utilisant les semi-conducteurs minéraux ; mais aussi de pouvoir être produits de façon moins gourmande en énergie, les nano-boîtes disposant de la capacité naturelle à s'autoassembler (comme le font les peptides des cellules vivantes. Les nano-boîtes ont en effet de nombreuses propriétés intéressantes : fluorescence dans le domaine visible (application possible pour la signalisation lumineuse de nuit, à chargement solaire le jour), électrochimie (captation d'ions, dépollution, production de médicaments), protection et transport intracellulaire des médicaments (solution alternative à l'utilisation de virus ou bactéries), applications cosmétiques, renforcement des tissus et de leur coloration, capture de charge (batteries), piézoélectricité (réalisation de capteurs de pression ou de mouvement, applications dans l'aéronautique), optique non linéaire (filtrage sélectif, optique correctrice médicale ou protectrice, imagerie médicale...).

Les points quantiques peuvent également être utilisés pour des expériences d'optique quantique. En combinaison avec des cavités optiques, ils peuvent être utilisés comme source de photons uniques.

Notes et références
  1. Yasuhiro Shirasaki, Geoffrey J. Supran, Moungi G. Bawendi et Vladimir Bulović, « Emergence of colloidal quantum-dot light-emitting technologies », Nature Photonics, vol. 7, no 1,‎ , p. 13–23 (DOI 10.1038/nphoton.2012.328)
  2. Susan J. Angus, Andrew J. Ferguson, Andrew S. Dzurak et Robert G. Clark, « Gate-Defined Quantum Dots in Intrinsic Silicon », Nano Letters, vol. 7, no 7,‎ , p. 2051–2055 (DOI 10.1021/nl070949k)
  3. Ivan N. Stranski et Lubomir Krastanow, « Zur Theorie der orientierten Ausscheidung von Ionenkristallen aufeinander », Abhandlungen der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Klasse IIb. Akademie der Wissenschaften Wien, vol. 146,‎ , p. 797–810
  4. Sam Kean (trad. de l'anglais par Bernard Sigaud), Quand les atomes racontent l'histoire du monde, Paris, Flammarion, coll. « Champs sciences », , 442 p. (ISBN 978-2-08-128277-3, présentation en ligne), p. 385-386
  5. Store-Dot, page d'accueil.
  6. // Sputnik, Des chercheurs russes savent comment réduire de beaucoup le prix des panneaux solaires.

Articles connexes

Liens externes
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