Les boites quantiques, ou Quantum dots en anglais, ont été découvertes à la fin des années 1970. Que signifie ce terme et quelle est leur utilité ?
Que signifie une boite quantique?
Concrètement, la boite quantique est une structure cristalline de séléniure de cadmium d’une dizaine de nanomètres seulement. Et dont les électrons sont excités par la lumière. Ce cristal formé de seulement quelques atomes a un comportement quantique et émet ainsi une lumière fluorescente. La longueur d’onde de celle-ci varie en fonction de sa taille. Avec un diamètre de 2 nanomètres, il émet ainsi une lumière bleue. Alors qu’elle sera rouge avec un diamètre de 6 nanomètres. D’autres paramètres influent sur la fluorescence, comme la composition et la forme de la boite.
Le sulfure de cadmium ou CdS est un composé chimique inorganique de soufre et de cadmium de formule CdS. Ce semi-conducteur peut être présent dans les posemètres et les photorésistances, les photomètres UV et les compteurs à scintillations, les écrans TV et divers écrans fluorescents.
Définition sur Wikipédia
Le fruit d’un hasard…
Les boites quantiques, ou Quantum dots en anglais, ont été découvertes un peu par hasard. C’était par le chercheur russe Alexei Ekimov à la fin des années 1970 à l’Institut d’optique de Leningrad. Alors qu’il étudiait différents alliages possibles pour la microélectronique, il a mis en évidence les propriétés optiques étonnantes de minuscules cristaux de séléniure de cadmium. En 1980, le chercheur publie un article scientifique qui deviendra par la suite le pilier des fameux Quantum dots.
«Nous avions entrepris nos recherches par curiosité»,
admet l’Américain Louis Brus, chercheur dans les années 1980 aux Bell Labs, à Murray Hill dans le New Jersey.
L’expérience est répétée et complétée
En améliorant l’expérience soviétique, Louis Brus réussit à produire des nanocristaux en suspension dans un liquide. Le procédé est perfectionné par l’un de ses étudiants qui parvint en 1993 à contrôler la taille des QD.
«La méthode est simple: il s’agit d’ajouter un sel dans une solution, à une certaine concentration», « Une fois que la solution est saturée en sel, des cristaux en forme de billes se forment. »
explique Brus,
L’expérience fut répétée encore et encore par d’autres chercheurs. Jusqu’à à créer une sphère dans une coque, puis, des bâtonnets en 2000.
«Nous avons obtenu un film très fin, de quelques couches atomiques, un peu comme un feuillet de graphène. Nous l’avons créé par hasard en jouant avec les molécules organiques»,
déclare Benoit Dubertret, directeur de recherche au CNRS plus récemment en 2007.
Les boites quantiques pour quelles utilisations ?
Les applications de ces dernières «ne sont pas toutes explorées à ce jour», estime le scientifique Jacques Lewiner, un des fondateurs de la jeune pousse Nexdot, spécialisée dans les QD du futur.
Associés à des molécules liantes, les QD peuvent devenir hydrophiles et servir de marqueurs pour des applications biomédicales. Puisqu’ils émettent une couleur spécifique qui peut être utilisée pour aider à la visualisation médicale. Par exemple, pour détecter une tumeur, une technique déjà testée pour remplacer des traceurs médicaux radioactifs.
Crédits : Wikipédia
Ainsi pour l’affichage, les QD servent de source lumineuse plus pure pour les diodes électroluminescentes. Et, de ce fait, restituent une plus grande palette de couleurs, plus proches de la réalité. Ils sont déjà utilisés pour l’écran d’une tablette d’Amazon et des téléviseurs de Sony : 2022 Bravia 4K and 8K TVs
Bien d’autres utilisations sont espérées en microélectronique et pour l’énergie. ils peuvent servir, notamment, à convertir en électricité les rayons du soleil, comme une cellule photovoltaïque. De plus, des feuillets de QD, enfermés dans un dispositif électronique, pourraient créer une nouvelle famille de condensateurs pour stocker l’énergie, à l’instar de batteries.
Pas seulement, utilisés dans une peinture, ils pourraient transformer en écran numérique souple une feuille de papier.
Pas totalement inoffensives …
Comme déjà mentionné, les points quantiques sont un produit du domaine émergent de la nanotechnologie. Ils sont constitués de particules nanométriques d’un matériau semi-conducteur souvent du séléniure de cadmium. Environ 2 000 à 20 000 fois plus petites que la largeur d’un seul cheveu humain. elles sont donc conçues pour absorber la lumière d’une couleur et l’émettre comme une autre couleur pour devenir fluorescente.
Sauf que, Le cadmium pose des problèmes de santé publique. En effet, il fait notamment partie des métaux lourds interdits dans les composants électroniques par la directive européenne RoHS. D’autres matériaux sont actuellement en test, comme l’indium phosphore dont la toxicité est largement inférieure à celle du cadmium.
Ces préoccupations pourraient suffire à faire pencher la balance contre l’utilisation de points quantiques dans l’électronique grand public pour certains. Mais ils ne racontent qu’une partie de l’histoire, car ces petites particules brillantes présentent également des avantages environnementaux.
Mais à priori sous contrôle
Les points quantiques actuellement utilisés dans les téléviseurs sont fermement intégrés dans les écrans généralement enfermés derrière plusieurs couches de verre et de plastique. En conséquence, les chances que les utilisateurs y soient exposés pendant le fonctionnement normal sont pratiquement nulles.
La situation est cependant potentiellement différente lors de la fabrication. Lorsqu’il y a un risque qu’une personne soit exposée par inadvertance à ces particules nanoscopiques. Des scénarios comme celui-ci ont conduit des agences comme l’Institut national américain pour la sécurité et la santé au travail à examiner de près la sécurité lors de l’utilisation de nanoparticules. Bien que les risques potentiels ne soient pas négligeables, de bonnes pratiques de travail sont efficaces pour réduire ou éliminer les expositions potentiellement nocives.
Les QD: une solution pour faire des économies?
Mais il est aussi important de préciser qu’il a été prouvé que les téléviseurs à points quantiques peuvent être jusqu’à 20 % plus économes en énergie que les écrans de télévision à LED conventionnels. Et parce que les points quantiques sont une source si efficace de lumière vive, la quantité de matériau émetteur de lumière dans ces écrans, aussi faible qu’un milligramme de cadmium dans certains modèles, peut en fait réduire la quantité globale de matériaux toxiques utilisés.
Ces économies d’énergie et de matériaux se traduisent par une réduction des impacts sur l’environnement et la santé.
*La Directive européenne RoHS Restriction of hazardous substances in electrical and electronic equipment vise à limiter l’utilisation de dix substances dangereuses dans les équipements électriques et électroniques.