Confinement quantique
Dans cette partie nous définierons les changements de propriété à l'état massif et à l'état du nanocristal. Cette singularité nous amènera à expliquer la singularité des phénomènes, qui aboutieront à la possibilité de pouvoir calibrer la taille de la particule pour qu'elle émette à une certaine longueur d'onde.
A l'état Massif:
Figure 1 : représentation d’un solide dans lequel s’est formé un exciton
Comme nous l’avons vu auparavant, suite à un apport d’énergie précis , se forme une paire « électron trou », ou encore appelé exciton. La distance moyenne séparant l’électron et le trou est appelé rayon de Bohr. Il détermine l’énergie du bandgap à franchir pour obtenir cette exciton. L’électron tend ensuite à retourner à son état fondamental, et souhaite la recombinaison de l’électron et du trou dans la bande de valence. Ce phénomène résulte en l’émission d’un photon d’énergie fixe, qui donnera lieu à une longueur d’onde précise.
figure 2: émission d'un photon suite à un apport d'énergie suffisant. Le photon tend ensuite à retourner à son état fondamentale par émission de photon.
Dans un nanocristal:
Figure 2 : phénomène de confinement quantique, le rayon de bohr est plus grand que la particule
Cependant un facteur n’a pas était pris en compte et risque pourtant de bouleverser les propriétés énoncés, le Qd est un cristal semi-conducteur à l’échelle NANOMETRIQUE. La diminution de la taille du cristal conduit à la situation spécifique où le rayon de bohr de l’exciton est plus grand que la particule.On parle alors de confinement quantique, c'est-à-dire que le déplacement des électrons- trous est limité par les dimensions du matériau.
En raison du confinement, les excitons sont contraints d’accepter une énergie plus élevée , ainsi la largeur de la bande interdite augmente. De plus, ce phénomène transforme la structure énergétique, puisque le confinement provoque le passage d’une structure en bande à une structure en niveaux.
Figure 6 : Evolution du bandgap en fonction de la taille des nano-cristaux.Plus la taille de la nanoparticule est petite plus l'énergie a apporter est grande, et inversement.
Ce changement d'énergie est significatif puisqu'il détermine l'énergie suffisante à apporter pour que l'électron passe de la bande de valence à la bande de conduction est ainsi absorber un photon.Théoriquement lorsque l'électron se desexcite, il souhaite reformer la paire-électron trou. Il rejette alors la même énergie qu'il avait absorbé.
L'absorption du photon semble être une donnée importante à connaître pour déterminer l'émission de longueur d'onde de la particule.
Absorption d'un photon:
Récapitulons: Pour qu'un électron puisse passer de la bande de valence à la bande de conduction il doit avoir une énergie au moin égale ou supérieur à celle de la bande interdite. Se forme alors une paire-électron trou.
Le premier déplacement de l’exciton de la borne de valence au premier niveau de la borne de conduction indique le maximum d'absorption ou encore appelé premier pic excitonique.
Il parait donc intéressant de calculer la longueur d'onde du maximum d'absorption.
figure 1: équation de l'absorption d'un photon
- h est la constante de Planck qui équivaut à 6.63 *10 -34 J.s
- et c la célérité (vitesse de la lumière dans le vide) : 3.0.10^8m.s-1.
Ainsi cette relation montre que l’énergie du bandgap est inversement proportionnelle à la longueur d’onde d’absorption. Plus l’énergie du bandgap sera élevée plus la longueur d’onde d’absorption sera courte. Une diminution du Qd entraîne un déplacement vers une énergie du bandgap plus élevée à cause du confinement quantique et par conséquent une longueur d’onde d’absorption plus faible.
