Nanomatériaux colloïdaux et intégration optoélectronique bottom-up

Cette rubrique présente quelques résultats représentatifs de nos travaux sur les nanomatériaux colloïdaux inorganiques et leur intégration dans des dispositifs optoélectroniques fonctionnels, selon une approche « bottom-up ». Dans cette stratégie, les propriétés optiques et électroniques des dispositifs sont directement héritées des caractéristiques physiques et chimiques des nanomatériaux constitutifs.

I. Fonctions optoélectroniques émergentes et reconfigurables par contrôle optique et électrique

Nos travaux récents ont exploré l’exploitation fonctionnelle des états de charge et des interfaces propres aux nanomatériaux colloïdaux pour des fonctions optoélectroniques non conventionnelles. Un exemple emblématique est le développement de mémoires optoélectroniques à écriture optique et lecture électrique, basées sur l’intégration de points quantiques de carbone dopés à l’azote sur des transistors à effet de champ en graphène.

Dans ces dispositifs, les nanoparticules colloïdales jouent un rôle actif dans la modulation et la mémorisation de l’état électronique du transistor, permettant de contrôler le courant par illumination lumineuse et polarisation électrique. Ce travail illustre comment des nanomatériaux simples, synthétisés par voie solution, peuvent être détournés de leurs usages classiques pour des fonctions de stockage et de traitement de l’information, en s’appuyant sur leurs propriétés intrinsèques de piégeage et de dynamique de charge.

Figure caption : Exploitation des propriétés de piégeage de charges de nanoparticules de carbone fluorescentes dopées à l’azote, intégrées dans un transistor à effet de champ à base de graphène, pour la réalisation d’une mémoire optoélectronique à écriture optique et lecture électrique. (a) Architecture du dispositif FET ; (b) Caractérisation par microscopie à force atomique (AFM) de la couche active ; (c) Image optique du transistor à effet de champ fabriqué ; (d) Évolution du courant source-drain lors de cycles successifs d’écriture optique sous illumination UV et d’effacement sous polarisation électrique continue.

Publication :

Chaudhary, M. ; Xin, C. ; Hu, Z. ; Zhang, D. ; Radtke, G. ; Xu, X. ; Billot, L. ; Tripon‐Canseliet, C. ; Chen, Z. Nitrogen‐Doped Carbon Quantum Dots on Graphene for Field‐Effect Transistor Optoelectronic Memories. Adv Electron Mater 2023, 9 (8), 2300159. https://doi.org/10.1002/aelm.202300159.

II. Nanocristaux colloïdaux comme briques actives pour l’optoélectronique

Nos travaux antérieurs ont largement contribué à l’utilisation de nanocristaux colloïdaux semi-conducteurs comme matériaux actifs pour l’optoélectronique. Nous avons notamment démontré des diodes électroluminescentes basées sur des nanoplaquettes colloïdales quasi-bidimensionnelles, caractérisées par une émission spectrale étroite directement contrôlée par le confinement quantique, illustrant le potentiel des architectures colloïdales entièrement traitées en solution pour une ingénierie fine des propriétés d’émission.

Figure caption : (Gauche) Image TEM de nanoplaquettes colloïdales cœur/coquille CdSe/CdZnS et photographie d’une diode électroluminescente à nanoplaquettes réalisée, en fonctionnement sous polarisation continue ; (Droite) Spectres de photoluminescence (PL) et d’électroluminescence (EL) correspondants, illustrant l’émission étroite induite par le confinement quantique.

En parallèle, nous avons étudié les mécanismes fondamentaux de transport et de recombinaison des charges dans des cellules solaires à boîtes quantiques colloïdales, en combinant fabrication de dispositifs et spectroscopies électro-optiques ultrarapides. Ces travaux ont permis de mettre en évidence le rôle clé de la chimie de surface et des états de pièges dans les pertes de performance photovoltaïque, et d’apporter un éclairage mécanistique sur les dynamiques de charge dans les dispositifs colloïdaux.

Figure caption : (a) Spectres d’absorption optique et de photoluminescence des boîtes quantiques (QDs) de PbS étudiées, accompagnés du schéma de l’architecture de cellule solaire à QDs correspondante ; (b) Résultats de spectroscopie pump-push photocourant mettant en évidence des dynamiques de piégeage de charge très différentes selon les ligands de surface organiques des QDs de PbS (MPA et EDT). L’encart présente le schéma de principe de l’expérience.

Dans le prolongement de cette approche, nous avons démontré qu’il était possible de contrôler les dynamiques de recombinaison dans des cellules solaires à boîtes quantiques PbS par une ingénierie « bottom-up » de la couche active, via l’introduction d’une seconde population de nanocristaux (CuInS₂ dopé Zn). Cette architecture binaire permet une séparation spatiale partielle des charges et conduit à une réduction mesurable de la recombinaison, se traduisant par une augmentation significative du photocourant et du rendement de conversion, tout en restant compatible avec des procédés de dépôt solution simples.

Figure caption : (Gauche) Schéma de principe d’une cellule photovoltaïque à hétérojonction bi-couche TiO₂ / boîtes quantiques PbS-CuInS₂ développée dans mon équipe ; (Droite) Image MEB en coupe transversale du dispositif, mettant en évidence l’empilement des couches fonctionnelles.

Publications :

⦁ Chen, Z. ; Nadal, B. ; Mahler, B. ; Aubin, H. ; Dubertret, B. Quasi-2D Colloidal Semiconductor Nanoplatelets for Narrow Electroluminescence. Adv Funct Mater 2014, 24 (3), 295–302. https://doi.org/10.1002/adfm.201301711.
⦁ Bakulin, A. A. ; Neutzner, S. ; Bakker, H. J. ; Ottaviani, L. ; Barakel, D. ; Chen, Z. Charge Trapping Dynamics in Pbs Colloidal Quantum Dot Photovoltaic Devices. ACS Nano 2013, 7 (10), 8771–8779. https://doi.org/10.1021/nn403190s.
⦁ Sun, Z. ; Sitbon, G. ; Pons, T. ; Bakulin, A. A. ; Chen, Z. Reduced Carrier Recombination in PbS - CuInS2 Quantum Dot Solar Cells. Sci Rep 2015, 5 (1), 10626. https://doi.org/10.1038/srep10626.

III. Positionnement et approche scientifique

Dans l’ensemble, ces travaux illustrent une approche cohérente visant à exploiter les défauts, les états de charge et les interfaces des nanomatériaux colloïdaux non comme des limitations, mais comme des degrés de liberté fonctionnels. Ils ont contribué à établir une expertise transversale, allant de la synthèse et de la modification de nanomatériaux à leur intégration dans des dispositifs optoélectroniques complets, en s’appuyant sur une compréhension fine des mécanismes physiques gouvernant leur fonctionnement.