Construire les techniques d’imagerie de prochaine génération avec des points quantiques infrarouges

La technologie des points quantiques (QD) transforme les industries de l’éclairage et de l’affichage. Sujet très discuté en nanotechnologie et en science des matériaux, ces nanocristaux semi-conducteurs sont de très petites particules semi-conductrices, de l’ordre de quelques nanomètres.

Leurs propriétés électroniques et optiques se situent entre les atomes discrets massifs et les semi-conducteurs. Ces propriétés dépendent en fait à la fois de la taille et de la forme de ces QD. Par exemple, les points quantiques plus grands de 5–6 nm émettent des longueurs d’onde plus longues comparées aux longueurs d’onde plus courtes émises par les QD plus petits de 2–3 nm. De plus, les premiers QD donnent des couleurs orange ou rouge, tandis que les seconds produisent du bleu et du vert. La spécificité de ces couleurs dépend toutefois de la composition des points quantiques.

Les QD sont des matériaux semi-conducteurs à l’échelle nanométrique avec des électrons ou des trous fortement confinés, à l’image d’un modèle de particule 3D dans une boîte. En couplant deux ou plusieurs de ces QD, on peut également créer une molécule artificielle. Par ailleurs, les assembler avec précision peut former des super-réseaux agissant comme des matériaux solides artificiels dont les propriétés optiques et électroniques uniques peuvent être contrôlées.

L’année dernière, Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov et Louis E. Brus ont reçu le prix Nobel de chimie pour la découverte et le développement des points quantiques. Cependant, les QD ne sont pas aussi récents que la technologie. Ils ont été découverts pour la première fois il y a plusieurs décennies, en 1980, et sont utilisés depuis des années dans les LCD comme phosphores à distance.

Le potentiel d’application des points quantiques ne se limite pas aux écrans, il s’étend également aux LED, aux lasers, aux cellules solaires, aux sources de photons uniques, aux transistors à électron unique, à la microscopie, à la bio-imagerie, à la recherche en biologie cellulaire et à la catalyse des réactions chimiques.

Porté par la demande croissante de solutions d’éclairage à haute efficacité énergétique et d’appareils d’affichage de haute qualité dans divers secteurs, le marché des QD est prévu de connaître une croissance impressionnante avec un TCAC de 17,40 % dans les années à venir. La taille du marché mondial des QD devrait atteindre 12,34 milliards de dollars avant la fin de cette décennie.

Compte tenu de leurs nombreuses applications et de la croissance attendue du marché, les points quantiques font l’objet de nombreuses recherches et expérimentations. Cependant, cela s’est principalement fait dans le spectre visible. Cela signifie qu’il reste beaucoup à découvrir sur la technologie dans les régions ultraviolette et infrarouge.

La technologie infrarouge possède de nombreux cas d’usage, ce qui crée une demande croissante de matériaux optoélectroniques rentables, faciles à développer et à utiliser, qui soient réglables et actifs dans l’infrarouge. Cela a conduit au développement de points quantiques infrarouges. En raison de l’effet de confinement quantique, les bandes interdites des points quantiques infrarouges peuvent être ajustées à tout moment simplement grâce aux contraintes dimensionnelles.

Les progrès dans le développement de points quantiques infrarouges en tant qu’absorbeurs infrarouges, par exemple dans les carburants solaires et les photovoltaïques, et d’émetteurs de lumière infrarouge, comme dans l’imagerie biologique et les diodes électroluminescentes, facilitent l’intégration des QD dans des applications émergentes.

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Développement de nanocristaux de haute qualité

Aujourd’hui, Andrew Smith, professeur de bio-ingénierie à l’Université de l’Illinois à Urbana‑Champaign, et le chercheur postdoctoral Wonseok Lee ont développé de nouveaux produits nanocristallins de haute qualité.

Publié dans Nature Synthesis et financé par les National Institutes of Health et la National Science Foundation, la recherche constitue la première fois que des QD infrarouges atteignent les mêmes normes élevées que ceux du spectre visible.

Même après près d’un demi‑siècle d’existence de la technologie des nanocristaux, nous n’avons observé des avancées que pour les nanocristaux fonctionnant dans la partie visible du spectre. Cela s’explique, étant donné qu’ils constituent une “partie importante des dispositifs d’affichage”.

Comme le souligne Smith, la partie la plus importante de toute technologie est l’émission ou l’absorption de lumière. Ainsi, l’accent a été mis sur le développement d’une technologie avec le plus grand marché actuel.

Mais ce n’est pas tout. En plus de la forte demande pour les nanocristaux du spectre visible, la chimie des matériaux utilisés dans l’infrarouge est également plus difficile. Cela inclut une énergie plus basse et des longueurs d’onde plus longues que la lumière du spectre visible.

Aujourd’hui, réaliser l’émission et l’absorption de lumière dans l’infrarouge nécessite des éléments plus lourds dont la chimie est compliquée. Cela entraîne des réactions moins prévisibles et davantage de réactions secondaires indésirables.

Ce n’est même pas la fin. Ces éléments plus lourds sont également sujets à la dégradation. Ils sont même sensibles aux variations ambiantes de l’environnement, comme l’eau.

En ce qui concerne les nanocristaux de points quantiques, ils peuvent être fabriqués à partir de semi-conducteurs élémentaires, comme le silicium, ou être composés de deux éléments (binaire) ou de trois éléments (ternaire). En mélangeant deux éléments ensemble, plusieurs propriétés différentes peuvent être obtenues, et en combinant trois, encore plus de propriétés peuvent être réalisées.

À l’institution phare du système universitaire de l’Illinois, les chercheurs se sont concentrés sur un seul type d’élément, qu’ils estiment être le matériau « parfait » à fabriquer. Le matériau en question est le séléniure de mercure‑cadmium. Selon Smith :

« Vous pourriez pratiquement obtenir n’importe quelle propriété souhaitée en modifiant le rapport des atomes de cadmium et de mercure. Cela peut couvrir une vaste gamme du spectre électromagnétique — de tout l’infrarouge jusqu’à tout le visible — et offrir de très nombreuses propriétés. »

Utilisation du QD déjà développé 

Le développement de points quantiques infrarouges de haute qualité est en réalité le fruit de plusieurs années de travail. Depuis longtemps, la communauté de recherche tente d’atteindre cet objectif, Smith étant impliqué depuis ses études doctorales. Mais aucune des tentatives n’avait réussi jusqu’à présent.

Finalement, les chercheurs de l’Université de l’Illinois ont réussi à créer un nouveau matériau. Ils y sont parvenus en s’appuyant sur quelque chose qui était déjà perfectionné. Ainsi, ils ont pris ce qui est considéré comme le point quantique le plus développé et l’ont utilisé comme ce que Smith appelait un « moule sacrificiel ».

Le séléniure de cadmium (CdSe) est un composé inorganique classé comme semi-conducteur II‑VI de type n. Il est transparent à la lumière infrarouge (IR) et très luminescent, mais son utilisation dans les photorésistances a été limitée.

Comme le souligne la recherche, les nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux à base de CdSe ont été précisément optimisés pour les applications photoniques dans le spectre visible. Les produits modernes affichent en réalité une uniformité structurelle avec un rendement quantique proche de cent pour cent.

Ensuite, l’équipe a remplacé le cadmium (Cd) du CdSe par du mercure (Hg). Immédiatement, cela a déplacé le matériau dans le spectre infrarouge tout en conservant toutes les qualités souhaitées, notamment une forte émission et absorption lumineuse.

Pour atteindre cet objectif, les chercheurs ont dû abandonner la méthode conventionnelle de synthèse des nanocristaux. La méthode traditionnelle consiste d’abord à mélanger les éléments précurseurs, puis, sous les bonnes conditions, ils se décomposent en la structure nanocristalline désirée.

Cependant, aucune condition n’a fonctionné pour le séléniure, le mercure et le cadmium. Ainsi, le chercheur postdoctoral Lee a mis au point une nouvelle méthode appelée échange cationique renforcé par interdiffusion.

Dans ce processus, l’équipe a ajouté de l’argent comme quatrième élément, ce qui introduit des défauts dans le matériau. Cela, selon Smith, a fait « tout se mélanger de façon homogène. Et cela a résolu tout le problème. »

Au final, l’équipe a développé les nanocristaux de séléniure de mercure (HgSe) et de séléniure de mercure‑cadmium (HgCdSe) qui émettent et absorbent dans le spectre infrarouge. Issus de précurseurs CdSe du spectre visible déjà bien développés, les nouveaux matériaux ont conservé les attributs souhaités, notamment la forme, la taille et l’uniformité des nanocristaux de CdSe, tout en présentant une absorption améliorée.

Ces nanocristaux homogènes, HgSe et les alliages HgxCd1−xSe, possèdent également des bandes interdites réglables dans le spectre infrarouge. D’après la recherche, « après passivation avec des coques hétéroépithéliales CdZnS, les longueurs d’onde de photoluminescence sont réglables dans le proche infrarouge par composition sans changer la taille, avec un rendement quantique de 80–91 % et des largeurs de raie proches de 100 meV. »

Applications potentielles des points quantiques infrarouges 

La taille unique des petits points quantiques, combinée à leurs propriétés électroniques réglables, rend les QD très attractifs pour de nouvelles technologies et une variété d’applications.

Grâce à leur capacité à émettre un arc-en-ciel de couleurs vives et pures, leur coefficient d’extinction élevé et leurs hautes efficacités, les points quantiques sont particulièrement importants pour les applications optiques, telles que les LED, les écrans et les photovoltaïques. Lorsqu’ils sont utilisés dans le développement d’écrans avancés, la technologie améliore la précision des couleurs et la luminosité.

La sécurité et la surveillance constituent un autre secteur où ils peuvent améliorer les capacités de vision nocturne et aider à identifier des individus ou des objets dans des environnements sombres ou obscurcis. Dans l’industrie automobile, cela peut renforcer les systèmes d’aide à la conduite et améliorer la sécurité lors de la conduite de nuit. Ils peuvent également détecter les polluants dans l’environnement et les contaminants dans les sources d’eau.

En raison de la petite taille des points quantiques, qui implique également une densité d’états plus aiguë que les structures de dimensions supérieures, les électrons n’ont pas besoin de parcourir de longues distances, ce qui se traduit par des dispositifs électroniques pouvant fonctionner plus rapidement. Ces propriétés électroniques uniques sont particulièrement utiles pour les cellules solaires, les transistors, l’informatique quantique et les commutateurs et portes logiques tout‑optique ultra‑rapides.

La petite taille des QD les rend également adaptés à diverses applications biomédicales telles que les biocapteurs et l’imagerie médicale. Contrairement aux biocapteurs basés sur la fluorescence, ceux fondés sur les points quantiques peuvent émettre un spectre complet de lumières plus intenses tout en subissant peu de dégradation au fil du temps. Cela les rend très bénéfiques dans les applications biomédicales.

Selon la recherche, les nouveaux matériaux, le séléniure de mercure (HgSe) et le séléniure de mercure‑cadmium (HgCdSe), pourraient conduire à des techniques d’imagerie de prochaine génération.

Les points quantiques infrarouges peuvent révolutionner plusieurs industries en permettant le développement de techniques d’imagerie de prochaine génération. Par exemple, en imagerie médicale, les points quantiques infrarouges peuvent être utilisés pour détecter tôt les tumeurs et les cellules cancéreuses, aider à l’imagerie non invasive des tissus et organes avec des images plus claires et détaillées, et être employés lors d’interventions chirurgicales pour améliorer la précision et les résultats.

Dans le secteur de la santé, les points quantiques infrarouges peuvent également servir au suivi cellulaire, à la visualisation et à l’étude du comportement des molécules à l’intérieur des cellules. Comme le souligne la recherche, l’usage le plus significatif des points quantiques infrarouges pourrait être pour les sondes moléculaires.

La plupart des points quantiques émettent dans le spectre visible, ne permettant qu’une détection de surface. Cependant, la lumière infrarouge permettra d’examiner des tissus plus profonds. Ainsi, les points quantiques qui émettent dans l’infrarouge permettent aux chercheurs de voir presque entièrement à travers, par exemple, un rongeur vivant, modèle standard pour la plupart des maladies, et d’identifier les emplacements de molécules spécifiques dans tout le corps sans sacrifier les animaux.

Toutes ces utilisations conduisent à une meilleure compréhension des processus biologiques, du corps humain et des mécanismes de la maladie, et, par conséquent, à des solutions et des soins plus personnalisés et meilleurs. 

En plus de tout cela, l’imagerie infrarouge avec des points quantiques peut également servir à analyser des matériaux et des composants, à garantir la qualité des produits en fabrication, à améliorer la résolution des télescopes et à assister à la navigation et au fonctionnement des engins spatiaux.

Entreprises majeures travaillant sur les techniques d’imagerie et les points quantiques infrarouges

Examinons maintenant les entreprises à la pointe de l’avancement des techniques d’imagerie et du travail avec les points quantiques :

#1. QD Vision

Cette entreprise est reconnue pour sa technologie de points quantiques, notamment dans les applications d’affichage et d’imagerie. Co‑fondée par Moungi Bawendi il y a une décennie, l’entreprise travaille à la commercialisation des QD via Color IQ.

En 2016, Samsung Electronics a acquis la propriété intellectuelle de QD Vision pour 70 millions de dollars, incluant des centaines de brevets. Cette démarche stratégique visait à soutenir la vision à long terme de l’entreprise en matière d’affichage, de téléviseurs et possiblement d’autres activités. À l’époque, Samsung a déclaré que la PI de QD Vision deviendrait partie des efforts R & D de la société coréenne pour développer des implémentations avancées de téléviseurs QD. Les écrans QLED de Samsung promettent des performances colorimétriques inégalées et une qualité d’image exceptionnelle, « ouvrant une nouvelle voie de possibilités pour le futur ».

Au premier trimestre 2024, Samsung a annoncé une hausse de 933 % de son bénéfice d’exploitation par rapport au T1 2023. Le géant technologique prévoit une multiplication par 15 du bénéfice d’exploitation au deuxième trimestre 2024, stimulée par les prix des semi‑conducteurs grâce au boom de l’IA. Malgré cela, les actions Samsung (SMSN) s’échangent à 1 581 $, en hausse de seulement 5,54 % depuis le début de l’année. La société verse un rendement de dividende de 1,69 %.

#2. Nanoco Group

Cotée à la Bourse de Londres sous le ticker NANO, Nanoco se spécialise dans le développement et la fabrication de points quantiques et d’autres nanomatériaux. Avec une cotation à 0,1949 $, les actions sont en baisse de 12,38 % depuis le début de l’année, avec un BPA (TTM) de 0,06 et un PER (TTM) de 3,32.

L’entreprise a récemment racheté 330 133 de ses actions ordinaires, qui seront annulées pour laisser 205 038 038 actions ordinaires en circulation, une mesure visant à augmenter la valeur pour les actionnaires. Lors de la conférence téléphonique des résultats du deuxième trimestre 2024, son PDG Brian Tenner a évoqué le fait que Nanoco a reçu et exécuté deux commandes de production commerciale. Bien que de faible volume, cela signifie que Nanoco passe réellement à une véritable production et « s’attend à ce que la demande et le volume… augmentent avec le temps. » L’entreprise a également signé deux accords de développement conjoint avec des clients mondiaux concernant deux nanomatériaux de deuxième génération destinés à la détection infrarouge. 

La technologie centrale de Nanoco repose sur les points quantiques CFQD®, composés de nanoparticules semi-conductrices fluorescentes, et les points quantiques HEATWAVETM, qui sont spécialement conçus pour le secteur des capteurs. Alors que les premiers trouvent des applications dans la conversion de couleur OLED, la conversion de couleur μLED et le marquage de sécurité optique, la seconde technologie sert à la reconnaissance faciale biométrique, au diagnostic optique, à la vision nocturne, à la télémétrie et aux applications LiDAR.

Réflexions finales 

Comme nous l’avons vu, la technologie des points quantiques promet des avancées significatives dans tous les secteurs. Les chercheurs explorent actuellement davantage les QD, notamment les points quantiques infrarouges, qui offrent des applications uniques, surtout en imagerie biologique. À mesure que la demande de QD continue de croître et que leur taille de marché augmente, nous assisterons à encore plus d’avancées dans le domaine des points quantiques, qui ont la capacité de révolutionner le médical, l’énergie, les capteurs et l’électronique grand public.