Le prix Nobel de chimie 2023 a récompensé la découverte et le développement des points quantiques. Le Comité Nobel a déclaré : « Les points quantiques apportent des bienfaits considérables à l’humanité, et l’exploration de leur potentiel ne fait que commencer. » Ce prix représente non seulement la plus haute reconnaissance de la recherche sur les points quantiques, mais souligne également leur immense potentiel dans des domaines tels que l’éclairage d’affichage, la catalyse énergétique, la biomédecine et les technologies quantiques. Ce rapport spécial est consacré aux points quantiques de silicium, en particulier aux systèmes dispersés dans un solvant. Il présente de manière systématique les progrès de la recherche sur les méthodes de synthèse, les propriétés structurales et optiques, ainsi que leur application dans les diodes électroluminescentes (DEL) fabriquées par voie de dépôt en solution.
Les points quantiques sont des nanocristaux semi-conducteurs dont les dimensions ne dépassent pas quelques nanomètres. Les points quantiques colloïdaux présentent plusieurs avantages uniques : une émission de couleur complète, ajustable en fonction de la taille, peut être obtenue par des procédés hors vide ; leur rendement quantique de photoluminescence peut approcher les 100 % ; ils possèdent une bande passante d’émission étroite de 20 à 40 nm, avec un gamut de couleurs trois à quatre fois supérieur à celui des diodes électroluminescentes organiques (OLED) ; et ils peuvent être préparés à température ambiante par des méthodes de synthèse en solution à basse température. Grâce à ces caractéristiques, des structures cœur-coquille à bande interdite étroite ont été réalisées, et des produits commerciaux tels que les téléviseurs à points quantiques ont été développés avec succès. À l’avenir, les points quantiques devraient jouer un rôle central dans le développement des LED miniatures, des LED micrométriques et des technologies de LED à points quantiques, et stimuler le développement des technologies de nouvelle génération pour l’optoélectronique centrée sur l’humain, telles que les dispositifs portables extensibles. Porté par cette vague technologique, le marché mondial des points quantiques devrait continuer à croître à un TCAC de 9,47 %.
Cependant, l'application généralisée de la technologie des points quantiques se heurte encore à trois défis majeurs : premièrement, l'approvisionnement en matières premières est difficile et peut présenter des risques pour la sécurité. Actuellement, les points quantiques disponibles sur le marché sont principalement composés de métaux lourds, tels que l'indium (un métal rare) et le cadmium et le plomb (des métaux toxiques). À l'inverse, les points quantiques de silicium colloïdal et leurs nanomatériaux sont intrinsèquement exempts de métaux lourds et d'halogènes, offrant ainsi une alternative idéale pour les écrans durables de nouvelle génération, l'éclairage à semi-conducteurs, l'imagerie biomédicale et même les champs quantiques de pointe. Deuxièmement, il est urgent de surmonter les limitations liées à l'efficacité des points quantiques. Bien que les points quantiques à base de cadmium et de pérovskite aient atteint un rendement quantique proche de 100 %, les systèmes sans métaux lourds ont longtemps accusé un retard en raison de défauts de surface et d'une passivation incomplète. De manière encourageante, des recherches récentes ont permis d'augmenter le rendement quantique des points quantiques de silicium à plus de 70 %. Troisièmement, les méthodes de synthèse existantes doivent être simplifiées de toute urgence. La méthode d'injection à chaud, largement utilisée, nécessite l'injection rapide du précurseur dans un solvant à haute température pour déclencher la nucléation. Cette méthode impose des exigences strictes en matière de contrôle de la température, d'atmosphère inerte et d'équipements spécialisés, ce qui engendre des coûts élevés pour une production à grande échelle. Plus important encore, il n'existe actuellement aucun précurseur ni solvant permettant de synthétiser des points quantiques de silicium présentant à la fois une haute cristallinité et d'excellentes propriétés optiques par cette méthode.
Au cours des deux dernières décennies, l'équipe de recherche a systématiquement franchi plusieurs étapes importantes dans la recherche sur les points quantiques de silicium : obtention d'une émission tricolore et d'une émission de lumière blanche continue ; développement de la première diode à points quantiques de silicium émettant une lumière bleu ciel ; développement d'une méthode de synthèse à faible coût qui réduit les coûts de production de centaines, voire de milliers de fois ; préparation de diodes à points quantiques de silicium durables à partir de balles de riz ; obtention de points quantiques de silicium avec un rendement quantique d'environ 80 % et une cristallinité bien définie ; fabrication de films minces tricolores rouges, verts et bleus durables ; obtention de diodes électroluminescentes avec un rendement quantique externe supérieur à 10 % ; et établissement de quatre records de performance.
Ken-ichi Saitow et al., de l'Université d'Hiroshima (Japon), ont publié dans un rapport spécial une synthèse des méthodes de synthèse, des caractéristiques structurales et des propriétés photophysiques de points quantiques de silicium hautement cristallins, présentant un rendement quantique atteignant 80 %. Après avoir exposé les avantages des points quantiques de silicium, l'étude se concentre sur la voie de synthèse des points quantiques de silicium colloïdaux, et plus particulièrement sur la méthode utilisant un polymère d'hydrosilsesquioxane. Cette méthode élimine l'étape d'injection à chaud et peut être mise en œuvre à température ambiante, évitant ainsi les contraintes liées à l'injection rapide de précurseurs et aux procédures opératoires rigoureuses. Elle simplifie considérablement le processus expérimental et facilite la production à grande échelle. Les matériaux dérivés de l'hydrosilsesquioxane, préparés selon cette voie de synthèse, démontrent une fois de plus les performances exceptionnelles des diodes électroluminescentes à points quantiques de silicium, et ce, pour quatre indicateurs clés.