Histoire des Quantum Dots2018-08-06T11:36:51+00:00

Histoire des Quantum Dots

La découverte des Quantum Dots

C’est à la fin des années 1970, que le physicien Alexei Ekimov de l’Institut d’Optique d’Etat Vavilov (Léningrad) synthétise dans une matrice de verre fondu des nanocristaux de chlorure de cuivre, puis de séléniure de cadmium.
Il observe alors une fluorescence ainsi qu’un dégradé de couleurs. Ces premières observations sont publiées en 1980.
Alexander Efros, physicien russe publie en 1982 la première théorie visant à expliquer le comportement de ces cristaux de très petite taille par le confinement de leurs électrons.
Inspiré par Alexei Ekimov, le chimiste Louis Brus, des Bell Labs (Murray Hill, New Jersey) tente de produire à son tour des nanocristaux, mais dans un liquide cette fois-ci, pour obtenir une suspension colloïdale. Il obtient de cette manière les premiers Quantum Dots colloïdaux de sulfure de cadmium, plus faciles à manipuler et publie ses résultats en 1983.

Alexei Ekimov, la première découverte des Quantum Dots

Alexei Ekimov obtient son PhD de physique en 1974 à l’Institut Physico-Technique Ioffe de Leningrad. Chercheur au sein de l’Institut d’Optique de Vavilov depuis 1977, il produit pour la première fois des Quantum Dots dans un support de verre fondu.
Alexei Ekimov est depuis 1999 le directeur scientifique de Nanocrystals Technology (NY, NY).
Il obtient en 2006 le prix Von Humboldt et le prix R. W. Wood de la Optical Society of America avec Louis Brus et Alexander Efros pour leur découverte des Quantum Dots. En 2013, c’est avec Alexander Efros qu’il partage la Médaille Gross de la Société d’optique russe Rozhdestvensky.

Alexander Efros, le premier à théoriser les Quantum Dots

Alexander Efros obtient son PhD en 1978 à l’Université technique de Leningrad.
Entre 1981 à 1990, il est chercheur à l’Institut Physico-Technique Ioffe de Leningrad.
En 1990 il devient chercheur à l’Université Technique de Munich et est chercheur invité au MIT (Cambridge, MA) en 1992. Il occupe le poste de consultant au Naval Research Laboratory (NRL) à Washington DC dès 1993 avant d’y devenir chercheur senior.
Alexander Efros  partage avec Alexei Ekimov et Louis Brus le prix R. W. Wood prize de l’Optical Society of America pour la découverte des Quantum Dots.
En 2008, il reçoit le Humboldt Research Award for Senior U.S. Scientists.
Enfin, en 2013, il partage avec Alexei Ekimov la Médaille Gross de la Société d’optique russe Rozhdestvensky.

Louis Brus, la découverte des Quantum Dots colloïdaux

Louis Brus obtient son PhD à l’université de Columbia, à New-York.
Il fait la découverte des premiers Quantum Dots colloïdaux en 1982 chez Bell Laboratories de AT&T, qu’il quitte en 1996 pour rejoindre l’Université de Columbia.
Louis Brus est élu à l’Académie des Sciences des Etats-Unis en 2004.
Il partage le R. W. Wood prize de la Optical Society of America avec les deux autres pionniers des Quantum Dots, Alexei Ekimov et Alexander Efros. Louis Brus obtient également en 2008 le prix Kavli de nanosciences, le NAS Award in Chemical Sciences en 2010 et le Franklin Institute’s Bower Award and Prize for Achievement in Science en 2012.

La recherche sur les Quantum Dots accélère

En Europe, c’est Arnim Henglein, chimiste allemand qui ouvre la voie aux Quantum Dots à Berlin, dès 1982. En Asie, c’est Tadashi Itoh à Sendai au Japon qui étudie les Quantum Dots de CuCl formés dans des matrices de verre en 1984.

Aux Bell Laboratories (Murray Hill, New Jersey), Louis Brus a deux étudiants en post-doc prometteurs, Moungi Bawendi et Paul Alivisatos qui vont devenir des figures importantes du domaine des Quantum Dots. Moungi Bawendi sera en charge, par la suite, de la direction d’une équipe au MIT (Massachusetts). Paul Alivisatos dirigera quant à lui l’équipe de l’Université de Berkeley.
En 1993, l’équipe de Moungi Bawendi est à l’origine de la production des premiers Quantum Dots de « haute qualité ».
Ils sont alors dotés d’une dispersion de taille inférieure à 5%. Il est possible désormais de contrôler la taille des Quantum Dots et de décider de la couleur de leur fluorescence.
En parallèle, Philippe Guyot-Sionnest, jeune professeur à l’Université de Chicago s’intéresse aux propriétés multiphotoniques de ces matériaux et son équipe synthétise en 1996  les premiers Quantum Dots au cœur entouré d’une coque. Ceci permet de stabiliser les propriétés des particules synthétisées et d’intervenir plus facilement sur leur chimie de surface.

A la fin des années 2000, les équipes du MIT, de l’Université de Berkeley, de l’Université de Chicago et de Hambourg sont tout particulièrement actives dans le domaine de la recherche sur les Quantum Dots. Une conférence pour célébrer le 30ème anniversaire de la découverte des Quantum Dots a eu lieu à l’ESPCI en 2014. La plupart des contributions des orateurs invités sont disponibles en ligne.

Le contrôle de la chimie de surface et de la forme des quantum dots devient alors l’objectif premier des chercheurs.

Les premiers Quantum Dots en forme de bâtonnet sont obtenus en 2000 par un membre de l’équipe de Paul Alivisatos.

L’origine des Quantum Plates

En 2007, l’équipe de Benoit Dubertret parvient pour la première fois à produire des Quantum Plates à l’ESPCI (Ecole Supérieure de Physique et de Chimie de la Ville de Paris) ParisTech. Il s’agit de cristaux plats de quelques atomes d’épaisseur.
C’est une avancée extrêmement importante. Par rapport aux quantum dots classiques, les Quantum Plates sont plus brillantes, plus faciles à mettre en œuvre pour les applications industrielles, plus résistantes à la chaleur une fois encapsulées et plus stables dans le temps. En outre, leur émission est naturellement polarisée et directionnelle.

Vers une utilisation massive des Quantum Dots

Les propriétés optiques des Quantum Dots en font une solution d’avenir pour la fabrication d’écrans de très haute qualité. Ils permettent un bien meilleur rendu des couleurs, avec une consommation énergétique réduite. Ils sont déjà présents dans les produits haut de gamme de plusieurs industriels, notamment Samsung.

La généralisation de leur mise en œuvre se heurte encore à plusieurs obstacles. La très petite taille des Quantum Dots rend difficile l’adaptation de chaînes de production conçues pour manipuler des phosphores environ 1000 fois plus grands. Les Quantum Dots sont également dégradés par les molécules d’oxygène et d’eau présentes dans l’air ambiant. Ils doivent être placés entre des films de protection très coûteux. Enfin, les Quantum Dots les plus performants contiennent une proportion trop importante de métaux lourds pour respecter la norme RoHS.
La fabrication de Quantum Dots sans métaux lourds résout partiellement ce dernier point, sans apporter de solution aux deux premiers, et au détriment des performances.
A l’inverse, la méthode d’encapsulation développée par Nexdot permet de dépasser tous ces obstacles sans impact sur les performances.

A terme, le marché des Quantum Dots est estimé à plusieurs dizaines de milliards de dollars annuels, d’abord sur le display et l’éclairage, puis sur les solutions de production et de stockage d’électricité.