Pour la Journée de la science russe, de jeunes chercheurs de l'Université de recherche en technologie de l'information, mécanique et optique de Saint-Pétersbourg (ITMO) ont annoncé avoir conçu avec succès des nano-antennes lumineuses, qui constituent de nouvelles sources de lumière sur la base de nanoparticules de pérovskite de la taille de quelques centaines de nanomètres.
La pérovskite (titanate de calcium) est un minéral rare, dont on connaît l'utilisation pour fabriquer de l'électricité à l'aide de panneaux solaires. Les travaux des chercheurs de l'université ITMO élargissent les possibilités d'utilisation de la pérovskite: les nouvelles nanoparticules peuvent en effet constituer la future base pour créer des appareils optoélectroniques compacts — des diodes LED et des biomarqueurs. Les résultats de l'étude ont été publiés dans l'un des plus grands magazines du domaine de la nanophotonique: Nano Letters.
Une nano-antenne est un appareil miniature destiné à l'émission ou à la réception d'ondes radio. Les dimensions des nano-antennes ne dépassent pas quelques centaines de microns. La combinaison, dans un appareil miniature, d'une source lumineuse et d'un récepteur d'ondes radio ouvre des perspectives pour de multiples usages: on sait déjà créer des écrans haute résolution, étudier les processus à l'œuvre dans les cellules vivantes au niveau moléculaire, ou encore transmettre des informations dans les réseaux optiques. Cependant, la création d'appareils basés sur de telles nanostructures est compliquée par le fait que les matériaux qui sont utilisés généralement pour les nano-antennes possèdent une très faible efficacité d'éclairage. Jusqu'ici, il fallait donc créer séparément des sources lumineuses et des nano-antennes, puis les installer à proximité — ce qui constituait une tâche technologiquement complexe.
Les chercheurs de l'université ITMO ont trouvé un moyen d'unifier une nano-antenne et une source de lumière dans une seule nanoparticule. Elle peut générer, renforcer et diriger la lumière. "Nous avons réussi à créer de telles nano-antennes grâce aux particularités de la pérovskite, explique Ekaterina Tigountseva, auteure principale de l'article. Nous avons trouvé un moyen relativement simple et bon marché pour en faire des nano-antennes. Nous avons d'abord synthétisé la pellicule de pérovskite, puis nous avons "imprimé" à partir d'elle des nanoparticules par la méthode d'ablation laser. En d'autres termes, en utilisant des impulsions laser séparées nous avons en quelque sorte transporté les particules du matériau depuis la surface de la pellicule sur un autre substrat."
En étudiant les nanoparticules de pérovskite obtenues, les chercheurs ont découvert que leur rayonnement se renforçait si le spectre de rayonnement coïncidait avec ce qu'on appelle "l'effet Fano" ou "résonance de Fano" (théorie de Mie). De telles résonances apparaissent en cas d'interaction de la lumière avec des objets sphériques de taille inférieure à la longueur d'onde.
"Elles représentent un intérêt particulier dans les nanoparticules diélectriques et semi-conductrices, explique Gueorgui Zograf du laboratoire de nanophotonique hybride et d'optoélectronique à l'université ITMO. Les pérovskites utilisées dans notre travail sont également des semi-conducteurs. L'efficacité de leur éclairage dépasse considérablement celle de nombreux matériaux. Sachant qu'elles ne nécessitent pas de conditions spéciales de basse température grâce à une excitation efficace des excitons — des quasi-particules dont l'excitation électronique dans le semi-conducteur n'est pas liée au transfert de la charge électrique et de la masse. Notre principal mérite est d'avoir combiné les excitons avec les résonateurs de Mie et d'avoir obtenu des sources de lumière les plus efficaces possibles à température ambiante."
De plus, le spectre de rayonnement des nanoparticules peut être modifié en variant les anions — des ions chargés négativement dans le matériau. De cette manière, la structure du matériau reste la même: simplement, une autre composante est utilisée dans le processus de synthèse de la pellicule de pérovskite. Pour cela, il n'est pas nécessaire d'adapter et de compliquer la méthode à chaque fois. Elle reste identique, et seule la couleur du rayonnement des nanoparticules change. Les chercheurs ont donc bien découvert des nano-antennes de pérovskite à infra-ondes avec un spectre de rayonnement réglable.
Actuellement, les chercheurs du laboratoire de nanophotonique hybride et d'optoélectronique poursuivent l'étude des nanoparticules de pérovskite avec l'utilisation d'autres composés. En outre, le laboratoire développe de nouvelles versions de nanostructures sur la base de la pérovskite pour perfectionner les appareils optiques ultra-compacts et les dispositifs de transmission de données.
Le laboratoire de nanophotonique hybride et d'optoélectronique est rattaché au Centre de recherche international de nanophotonique et de métamatériaux à la méga-faculté de photonique créée au sein de l'université ITMO dans le cadre de la mise en œuvre du Projet 5-100. Le laboratoire est dirigé par Sergueï Makarov, 29 ans, qui a déjà travaillé à l'université technique de Vienne, à l'université du Texas à Dallas et à l'université nationale australienne.
