Les quantum dots (boîtes quantiques nanométriques semi-conductrices) de phosphure d’Indium sont utilisés pour améliorer le rendu de couleurs des écrans de télévision car ils émettent une fluorescence intense dans toute la gamme du spectre visible. Au-delà, la gamme du proche infrarouge est destinée aux applications comme l’imagerie biomédicale, les photodétecteurs et les cellules solaires.
Dans l’imagerie
in vivo, l’infrarouge augmente le rapport signal sur bruit, en minimisant l’absorption et la diffusion par le milieu biologique (Fig. a), afin d’effectuer une analyse plus en profondeur.
Dans le cas du photovoltaïque, le rendement des cellules solaires est amélioré par la capture des photons sur une gamme étendue du visible au proche infrarouge (Fig. b).
L’intérêt principal des quantum dots est de pouvoir ajuster leurs propriétés optiques selon leur taille de quelques nanomètres. La largeur de la bande interdite qui sépare la bande de valence de la bande de conduction dans le phosphure d'indium est de 1,35 eV ; ce « gap » d’énergie correspond à une longueur d’onde lumineuse d’environ 920 nm. Les procédés existants permettent de synthétiser des quantum dots de phosphure d'indium à une taille maximale de 6 nm seulement, ce qui limite la longueur d’onde d’émission à environ 630 nm (rouge).
Depuis une quinzaine d’années, les chercheurs du STEP [collaboration] réalisent la synthèse de nouveaux types de quantum dots, sans métaux lourds toxiques. Ils ont développé un nouveau procédé pour synthétiser des quantum dots d’InP à une taille supérieure à 10 nm, afin d’obtenir une luminescence infrarouge jusqu’à 730 nm. Le procédé consiste à utiliser un nouveau précurseur à base d’indium qui sert à la fois de source d’indium et de réducteur pour le précurseur de phosphore de type aminophosphine. Autre avantage, la largeur de raie de luminescence dans le proche infrarouge est plus étroite, car elle est moins sensible aux variations de taille.
Grâce au développement de leurs propriétés optiques, les quantum dots de phosphure d’indium deviennent un matériau prometteur dans les gammes visibles et infra-rouge. Ces nanoparticules, sans métaux lourds, remplacent avantageusement les matériaux à base de séléniure de cadmium, ou de sulfure de plomb, depuis que l’utilisation de ces éléments toxiques est restreinte par la
directive Européenne RoHS.
Figure a) : pour l’imagerie in vivo, l’absorption réduite entre 650 et 900 nm rend cette gamme spectrale particulièrement adaptée, notamment à cause de l’absorption réduite de l’hémoglobine (Hb, vert), l’oxyhémoglobine (HbO2, rouge) et l’eau (bleu).
Figure b) : recouvrement du spectre d’émission solaire (jaune) et des spectres d’absorption des quantum dots d’InP : seuil à 630 nm pour les tailles jusque 6 nm selon la synthèse classique (gris clair) et selon la synthèse Irig, le seuil augmente à 730 nm pour des quantum dots de 10 nm (gris foncé).
Collaboration : Irig-MEM pour les analyses structurales. Ces résultats ont été obtenus dans le cadre d’un projet ANR (18-CE09-0039-01 FLUO), impliquant le Laboratoire de Physique & Chimie des Nano-Objets LPCNO à l’INSA Toulouse, et l’entreprise ALEDIA à Grenoble.
La Directive RoHS (Restriction of Hazardous Substances) du Parlement européen limite l’utilisation de certaines substances dangereuses dans les équipements électriques et électroniques (2011).