Les points quantiques alignés deviennent hautement conducteurs – Physics World

Les points quantiques alignés deviennent hautement conducteurs – Physics World

Horodatage: 26 juin 2023 4h00

Photo de chercheurs travaillant dans une boîte à gants
Au labo : Toutes les expériences ont été réalisées en atmosphère contrôlée (boîte à gants d'azote) car les propriétés électroniques des super-réseaux de boîtes quantiques sont actuellement très sensibles à l'oxygène et à l'humidité. (Avec l'aimable autorisation de SZ Bisri)

Les assemblages de points quantiques ont tendance à être très désordonnés, mais lorsque les facettes de ces minuscules structures semi-conductrices sont alignées comme des soldats en parade, quelque chose d'étrange se produit : les points deviennent très bons pour conduire l'électricité. C'est le constat des chercheurs du Centre RIKEN pour la science de la matière émergente au Japon, qui affirment que ces « super-réseaux » ordonnés quasi bidimensionnels de boîtes quantiques pourraient permettre de développer une électronique plus rapide et plus efficace.

Les points quantiques sont des structures semi-conductrices qui confinent les électrons dans les trois dimensions spatiales. Ce confinement signifie que les points quantiques se comportent à certains égards comme des particules quantiques uniques, même s'ils contiennent des milliers d'atomes et mesurent jusqu'à 50 nm de diamètre. Grâce à leurs propriétés de type particule, les points quantiques ont trouvé une utilisation dans de nombreuses applications optoélectroniques, notamment les cellules solaires, les systèmes d'imagerie biologique et les écrans électroniques.

Il y a cependant un hic. Le désordre général des assemblages de points quantiques signifie que les porteurs de charge ne les traversent pas efficacement. Cela rend leur conductivité électrique médiocre et les techniques standard d'introduction de l'ordre n'ont pas beaucoup aidé. "Bien que l'ordre des assemblages puisse être amélioré, nous avons constaté que ce n'est pas suffisant", déclare Satria Zulkarnaen Bisri, qui a dirigé l'étude RIKEN et est maintenant professeur associé à l'Université Université de l'agriculture et de la technologie de Tokyo.

Un nouveau regard sur les points quantiques

Bisri explique que pour améliorer la conductivité des points quantiques, nous devons les regarder d'une manière différente - non pas comme des objets sphériques, comme c'est actuellement le cas, mais comme des morceaux de matière avec une suite de propriétés cristallographiques uniques héritées de leur structure cristalline composée. . "L'uniformité d'orientation des points quantiques est également importante", dit-il. "Comprendre cela nous a permis de formuler un moyen de contrôler l'assemblage des points quantiques en ajustant l'interaction entre les facettes des points quantiques voisins."

Les chercheurs ont créé leurs assemblages de points quantiques, ou super-réseaux, en créant ce qu'on appelle un film de Langmuir. Bisri décrit ce processus comme un peu comme verser de l'huile sur la surface de l'eau et la laisser se répandre en une couche très mince. Dans leur expérience, "l'huile" est constituée des points quantiques, tandis que "l'eau" est un solvant qui aide les points à se connecter les uns aux autres de manière sélective, via certaines facettes, pour former une monocouche ordonnée, ou super-réseau.

"Les bonnes propriétés de ce super-réseau monocouche sont que l'ordre à grande échelle et l'orientation cohérente des blocs de construction de points quantiques minimisent les désordres énergétiques tout au long de l'assemblage", explique Bisri. Monde de la physique. "Cela permet un contrôle plus précis des propriétés électroniques des points."

À des niveaux de dopage plus élevés, le transport de charge d'un point quantique à un autre n'est plus régi par un processus de transport par sauts
Hopping versus transport délocalisé. Avec l'aimable autorisation de SZ Bisri

Les chercheurs du RIKEN ont découvert qu'ils pouvaient rendre leur système jusqu'à un million de fois plus conducteur que les assemblages de points quantiques qui n'étaient pas connectés par épitaxie de cette manière. Bisri explique que cette augmentation de la conductivité est associée à une augmentation du niveau de dopage des porteurs de charge dans le système. À ce dopage plus élevé, le transport de charge d'un point quantique à un autre n'est plus régi par un processus de transport par sauts (comme cela se produit dans un isolant), mais par un mécanisme de transport délocalisé à travers des minibandes électroniques - "tout comme ce qui se passerait dans un matériau métallique », dit Bisri.

Appareils électroniques plus rapides et plus efficaces

Une conductivité élevée et un comportement métallique dans les points quantiques colloïdaux semi-conducteurs pourraient apporter des avantages significatifs aux appareils électroniques, permettant de développer des transistors, des cellules solaires, des thermoélectriques, des écrans et des capteurs (y compris des photodétecteurs) plus rapides et plus efficaces, ajoute Bisri. Les matériaux pourraient également être utilisés pour étudier des phénomènes physiques fondamentaux tels que des états fortement corrélés et topologiques.

Les chercheurs prévoient maintenant d'étudier d'autres composés de points quantiques. "Nous aimerions également obtenir un comportement métallique similaire, voire meilleur, en utilisant d'autres moyens que le dopage induit par le champ électrique", révèle Bisri.

Ils détaillent leur travail actuel dans Communications Nature.

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