Les écrans du futur seront quantiques

La recherche sur les écrans ne cesse de progresser. Mais les technologies OLED et LCD possèdent leurs limites : consommation, taille, longévité, contraintes mécaniques et surtout rareté des matériaux nécessaires. Les terres rares utilisées en électronique le sont de plus en plus et de nouvelles voies doivent êtres trouvées. Le favori des écrans de prochaine génération : les boites quantiques ou « quantum dots ».

Aussi courantes que sont les LED aujourd’hui, leur fabrication risque de devenir problématique très bientôt tant elle demande des composés rares et souvent toxiques. Le Cadmium, par exemple, pourrait voir ses réserves épuisées dès 2014. De plus, si les écrans OLED semblent être des remplaçants tout trouvés pour les écrans LCD, leur fabrication est complexe, les rendements assez mauvais et certaines couleurs souffrent d’une usure rapide, compromettant la longévité de l’ensemble. Sans parler du défi de fabriquer des écrans souples ou de très grandes tailles. Il semble donc urgent d’explorer de nouvelles voies.

LED ? OLED ? Non: QD-LED !

Un prototype d'écran à QD-LED de Nanoco.

Dans les laboratoires, les chercheurs ont de sérieux candidats depuis les années 80 : les LED à boites quantiques ou QD-LED pour « Quantum Dots LED ». Elles seraient d’un usage beaucoup plus souple que les LED ou les OLED, on pourrait littéralement les imprimer sur toutes sortes de surfaces souples ou rigides, virtuellement sans limitation de taille. Leur consommation serait minimale et elles n’utiliseraient pas ou peu de substances toxiques pour leur fabrication. Si ces petites boites sont bien connues des chercheurs en physique, leur production en masse restait problématique. Un grand pas vient cependant d’être franchi par Nanoco, une société britannique de nanotechnologie qui annonce une collaboration avec une firme asiatique afin de mettre sur le marché des téléviseurs à boites quantiques d’ici la fin de l’année 2012. Des écrans souples basés sur cette technologie pourraient également voir le jour dans les trois ans qui viennent. Nanoco n’est pas le seul à s’intéresser à ces « quantum dots », LG, Sony, Samsung et Sharp conduisent leurs propres recherches sur le sujet. Il semble bien que la QD-LED soit la LED du futur, elle mérite donc toute notre attention.

 Comment ça marche ?

Le principe de fonctionnement des boites quantiques n’est pas très aisé à expliquer, on essaiera ici de simplifier les choses au maximum. Notons tout d’abord que le terme anglais de « quantum dot » ou « point quantique » est dans ce contexte assez malheureux, car un « point quantique » ne correspond pas du tout à un point sur un écran. Pour avoir une idée du fonctionnement de ces boites, il faut donner quelques éléments de physique (amusante).

 Un peu de physique: noooon ne partez pas !!

Les électrons sont pinailleurs, ils ne prennent pas n'importe quelle énergie !

Le comportement des électrons dans un solide, et dans un semi-conducteur en particulier, est gouverné par la mécanique quantique. Pour fixer les idées, disons qu’on considère un solide cristallin : c’est un assemblage très bien rangé d’atomes. Ils sont liés entre eux : chacun partage des électrons avec ses voisins. Ces électrons peuvent être dans divers états « d’excitation » selon l’énergie qu’ils possèdent. Si on chauffe le matériau, ou si l’expose à la lumière par exemple, on excite les électrons. La mécanique quantique nous apprend que les particules ne peuvent pas avoir n’importe quelle énergie, mais seulement des niveaux discrets, « quantifiés ». Au niveau du solide, cela se traduit par des « bandes », c’est-à-dire des intervalles d’énergie autorisés. La bande de plus faible énergie s’appelle la « bande de Valence ». Quand l’énergie augmente, les électrons « sautent » dans des bandes de plus haute énergie. Dans certains matériaux, des électrons peuvent alors partir vivre leur vie à travers le réseau cristallin, ils forment un courant électrique : le matériau conduit le courant. La bande d’énergie correspondante est dite la bande conductrice.

Le « gap »

Mais il faut une certaine énergie pour arriver dans cette bande. Entre la bande de Valence et la bande conductrice, il y un espace interdit, un « gap ». Si ce gap est petit ou inexistant, le matériau est dit conducteur. Si le gap est très large, le matériau est dit isolant. Dans les semi-conducteurs, ce gap est présent, mais pas très large en général, le matériau peut être conducteur ou isolant selon le contexte. Agir sur ce gap est l’objet de multiple recherche en physique des matériaux.

Une jolie boite d’électrons

Mais quel rapport avec nos boites ?? L’appellation boite n’est pas non plus très appropriée, car ce n’est pas vraiment un vide que l’on peut remplir, mais on n’est pas très loin.

Imaginer que vous ayez un matériau semi-conducteur avec un gap assez large. Ça y est ? Maintenant, imaginez dedans un minuscule petit cube d’un autre semi-conducteur avec un gap plus petit.

Comme le gap est petit dans le cube, il y a moins d’états interdits et donc des électrons peuvent s’y trouver dans des états énergétiques qu’ils ne peuvent pas avoir à l’extérieur du cube. Du coup, ces pauvres électrons sont prisonniers du cube, piégés dans la boite, en somme. On dit qu’il s’agit d’un confinement quantique.

Pourquoi est-ce si intéressant ? Et bien parce qu’en l’état, votre boite a beaucoup de points commun avec un atome, au point qu’on appelle parfois les boites quantiques des « atomes artificiels ».

Piégés dans une boite, les électrons forment un nuage dont la forme dépend de l'énergie qu'ils emmagasinent, des "orbitales" comme dans un atome, délire non ?

Atomes artificiels et atomes bio

Nuage électronique autour d'un noyau atomique.

Pourquoi ? Et bien imaginez un atome : un noyau avec des électrons qui tournent autour… ou pas. En fait, les électrons ne « tournent » pas autour du noyau, la mécanique quantique stipule que les électrons constituent en fait un nuage électronique tout autour du noyau. Ce dernier est chargé électriquement (constitué de neutrons et de protons : il est positif) et il crée donc un champ électrostatique qui maintient les électrons sous son emprise. Une vision de l’atome est donc celle d’électrons prisonniers d’un « puits de potentiel » (généré par le noyau), comme enfermés dans notre boite.

Boite et atome partagent ainsi beaucoup de similitudes, les électrons confinés dedans y adoptent des niveaux d’énergies quantifiés et le nuage électronique à une forme qui dépend du niveau d’énergie. La différence, c’est qu’on peut contrôler ces niveaux dans le cas des boites, car ils dépendent de la taille et de la forme de la boite !

Somewhere, over the rainbow…

Bon, et le rapport avec les écrans ? C’est la fluorescence. Quand ils sont excités, les atomes (et les molécules) sautent à des niveaux d’énergie qui sont instables, ils cherchent alors à perdre leur énergie et émettant un photon : de la lumière. Comme l’énergie n’est absorbée qu’en paquet de taille précise (les fameux quanta), elle est aussi rejetée en émettant des photons d’une longueur d’onde, c’est-à-dire d’une couleur, bien précise.

En contrôlant la taille (et la forme) des boites, on peut contrôler précisément la couleur que l’on veut. En particulier, au plus les boites sont grandes, au plus il y a de niveaux autorisés et au plus elles peuvent admettre des niveaux d’énergie faible. On obtient alors les couleurs vers le rouge dans l’arc en ciel. A l’inverse, si les boites sont petites, on aura des couleurs vers le bleu, de l’autre côté de l’arc en ciel.

Fluorescence (sous UV) de boites quantiques de diverses tailles.

En juxtaposant des myriades de ces petites boites d’une taille précise, on peut ainsi fabriquer des LED de couleurs arbitraires et précisément contrôlées. De plus, le rendement est excellent, car comme pour l’OLED, aucun retro éclairage n’est nécessaire. Les matériaux qu’on peut utiliser sont variés et peuvent même être liquide : d’où la possibilité d’imprimer des écrans comme avec une imprimante à jet d’encre. De plus, ce sont des matériaux inorganiques, donc stables et à la durée de vie plus longue que pour les OLED.

Source

le 9 58
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9 Comments

  1. J’étais en train de relire pour la énième fois « l’univers des particules » de Crozon quand je suis tombé par hasard sur un lien sur twitter qui m’a amené sur cet article passionnant, mais ce qui a surtout « flashé » ma mémoire Read only, c’est le mot  TRS 80, je suis tombé dans le chaudron avec un TI994A à peu prés à la même époque, j’ai appris le basic avec l’extension Rom et accessoirement à jouer aux échecs avec le modeste programme qui acceptait de se laisser battre. Je me souviens que Tandy avait de nombreuses boutiques, que le Commodore 64 me faisait rêver, bref que du quantique

    1. Grande époque ! Je me suis aussi pas mal amusé avec un portable Tandy 102 (que j’ai toujours) basé sur un 6502 je crois avec 24Ko de RAM. J’ai raté le 6128 sinon je me serais sans doute mis à l’assembleur Z80 ! C’est un peu tard maintenant…

  2. Wow, encore un super article qui nous fait un peu réviser la physique !
    Je me demande par contre pourquoi les constructeurs attendent? Les coûts de production sont trop important ou la connaissance est encore légèrement faible?

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