Nanosciences pour tous

Quel est le point commun entre un arc-en-ciel et les boîtes quantiques ?

Par Antony D'Aléo

Une boîte quantique est une particule d’un matériau de taille nanométrique pouvant avoir différentes formes.

La petite taille est de grande importance pour conférer à ces objets des propriétés particulières qui sont entre celles du matériau à l’état massif et celles des atomes isolés.

Les propriétés optiques et électroniques, notamment, de ces objets sont fortement reliées à leurs tailles. Or les propriétés optiques et électroniques sont souvent liées à la répartition énergétique des électrons dans un matériau.

Dans les matériaux de type semi-conducteur (utilisé en micro-électronique), ou isolant, nous trouvons ce qu'on appelle des excitons. Ce sont des quasi-particules qui témoignent de la présence de « paire électrons-trous ». En fait, les électrons, dans ces matériaux sont, naturellement, très liés aux atomes et ont du mal à se mouvoir (on dit qu’ils sont dans la bande de valence - énergétique - du matériau). Par contre, si on éclaire ces matériaux avec un rayonnement de la bonne couleur (longueur d’onde), alors, quelques électrons peuvent être excités (se délier de l’atome en quelque sorte) et laisser alors un « trou » (ou un défaut de charge négative...) dans la bande de valence. L’ensemble électron-trou est appelé « exciton ». Ceci se traduit par l’absorption du rayonnement incident et l’émission de nouveaux rayonnements par désexcitation des électrons (fluorescence).

Dans les boites quantiques, les excitons sont « confinés » dans les trois dimensions de la nanoparticule (confinement quantique).

Il peut en résulter différents écarts énergétiques entre la bande de valence et le premier état excité (dit bande de conduction). Cet écart énergétique est proportionnel à la longueur d’onde d’émission. Ici, l’émission de lumière est déplacée vers le rouge quand les nanoparticules utilisées sont de plus en plus grosses (voir Figure ci-dessous).


Figure représentant des solutions de boîtes quantiques de CdSe de taille croissante (de la gauche vers la droite) sous irradiation lumineuse UV

Le confinement quantique est directement relié au rayon de Bohr de l’exciton (distance caractéristique entre l’électron et le trou).

Par exemple, dans le cas présenté ici, si la taille des boîtes quantiques est inférieure à 10 nm, celles-ci se trouvent dans un régime de fort confinement où les excitons sont dans un espace restreint. Ce confinement induit un dédoublement des bandes de conductions et de valences.

Dans le cas des nanoparticules de Séléniure de Cadnium (CdSe), plus la taille est grande, plus l’écart énergétique (entre la bande de valence et la bande de conduction) diminue. Ceci implique le déplacement vers les grandes longueurs d’onde de l’absorption (et de la fluorescence).

De par cet effet et la possibilité de préparer des nanoparticules de tailles contrôlées, il est facile de modifier l’absorption (la couleur) de telles boîtes quantiques. Ainsi, au CINaM, nous nous intéressons à la préparation par synthèse chimique et aux propriétés de boites quantiques et de nanoparticules organiques pour diverses applications en optique ou en électronique.