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- 1. Les boites quantiques Realisé par: CHAIBI Ibtissam EL KATTAT Ferdaous Encadré par: pr.QASEM Mohammed Reda Physique des semi –conducteurs et applications Mini projet Année universitaire :2023/2024
- 2. Introduction 01 02 03 04 05 06 plan Techniques de fabrication Applications des boîtes quantiques Avantages et limitations conclusion Propriétés électronique et optique
- 3. Une boîte quantique est un cristal semi-conducteur de taille nanométrique, ce qui entraîne de nombreuses propriétés optiques et de transport uniques. Une boîte quantique typique a un diamètre se situant de 2 – 10 nm. ● Exemples : CdSe,PbSe,BpTe,InP Introduction
- 4. Densité d’états électronique ρ et relation de dispersion en fonction de la dimension : du volume à la boîte (N.B. fil et boîte sont quelque peu idéalisés).
- 5. cœur de boîtes quantiques enveloppe de boîtes quantiques variable inorganique métal semiconducteur, QD coeur, par exemple CdSe, CdTe variable BQ barrière composée d'une deuxième couche de semi- conducteur, par exemple : ZnS variable couche externe, en fonction de la solubilité nécessaire et/ou des propriétés biologiques : peptides anticorps oligonuc léotides polyéthylè neglycol (PEG)
- 6. Propriétés électroniques Les porteurs de charges libres (électrons et trous ) sont libres de se déplacent selon les trois directions de l’espace. Pour des matériaux avec des dimensions inferieurs a la longueur d’onde de Broglie , les propriétés électronique et optiques de matériau seront complètement modifiées du a l’ effet de confinement qui se traduit par une quantification des états énergétiques des états et des trous . Cette longueur d’onde est donnes par : 𝜆𝐵 = 2𝜋ℏ 2𝑚𝑒𝑓𝑓𝐸′ Pour que les effets de confinement quantique soient mesurable , il faut que l'Energie E soit supérieure a l'Energie thermique kT dont la longueur d’onde associée est appelée longueur d’onde de Broglie thermique définie par : 𝜆𝐵 = 2𝜋ℏ 2𝑚𝑒𝑓𝑓𝑘𝑇′ Propriétés
- 7. Quantification de l'énergie : Propriétés optiques Largeur du Spectre d'Absorption/Émission : Luminescence La largeur du spectre d'absorption/émission dans les boîtes quantiques est élargie en comparaison avec des matériaux en vrac en raison de la quantification de l'énergie. Cela permet une absorption ou émission de photons sur une gamme plus large de longueurs d'onde, offrant une flexibilité dans la conception de dispositifs optiques. présentent une luminescence, émettant de la lumière lors de la recombinaison des électrons et des trous. Exemple : Cette propriété est exploitée dans les QLED, où la luminescence colorée est utilisée pour afficher des images nettes et lumineuses dans les écrans. En raison du confinement quantique, les niveaux d'énergie électronique dans les boîtes quantiques sont quantifiés, créant des états énergétiques discrets. Cette quantification donne lieu à des transitions électroniques bien définies, conduisant à des raies spectrales distinctes dans le spectre d'absorption/émission.
- 9. lithographie synthèse colloïdale épitaxie Il existe trois principaux moyennes techniques pour fabriquer des boîtes quantiques La lithographie implique la création de motifs à l'échelle nanométrique sur une surface, contrôlant ainsi l'emplacement et les dimensions des boîtes quantiques. La synthèse colloïdale consiste en la croissance de cristaux nanométriques en solution, permettant un contrôle précis de leur taille et de leurs propriétés. L'épitaxie, quant à elle, permet la croissance contrôlée de cristaux sur un substrat, assurant une disposition précise des boîtes quantiques
- 10. La lithographie est essentielle pour fabriquer les boîtes quantiques. En contrôlant les motifs à l'échelle nanométrique, elle détermine leur position et leurs dimensions sur un substrat, influençant ainsi leurs propriétés optiques et quantiques. Cette précision dans la disposition et la taille est vitale pour leur efficacité dans divers domaines, de l'informatique quantique à l'optoélectronique Inconvénients : contamination lente, faible densité, formation de défauts. Lithographie
- 11. Ce procédé permet de déposer des couches atomiques de matériaux sur un substrat en utilisant des jets de molécules ou d'atomes, offrant un contrôle précis de l'épaisseur des couches et de la composition. Épitaxie : Épitaxie par jet moléculaire (MBE - Molecular Beam Epitaxy) Étapes spécifiques pour la fabrication de boîtes quantiques : • Préparation du substrat • Émission des molécules ou des atomes • Contrôle précis
- 12. Épitaxie en phase vapeur (VPE - Vapor Phase Epitaxy) Cette méthode consiste à faire croître des cristaux à partir de composés chimiques vaporisés. Cela permet une croissance contrôlée des couches sur le substrat. Étapes spécifiques pour la fabrication de boîtes quantiques : • Vaporisation des composés. • Transport des gaz vers le substrat
- 13. Épitaxie par dépôt chimique en phase vapeur (CVD - Chemical Vapor Deposition) : Dans ce procédé, des films minces sont déposés sur un substrat à partir de réactions chimiques de gaz en phase vapeur, permettant une croissance contrôlée des matériaux Étapes spécifiques pour la fabrication de boîtes quantiques : • Réactions chimiques en phase vapeur • Formation des couches
- 14. Les boîtes quantiques pourraient un jour éclairer vos maisons, bureaux, rues et même des villes entières.Les LED à boîtes quantiques peuvent désormais produire n'importe quelle couleur de lumière, y compris le blanc.Ces LED à boîtes quantiques sont extrêmement écoénergétiques. Elles consomment seulement quelques watts, tandis qu'une lampe à incandescence classique en utilise 30 ou plus pour la même quantité de lumière. Applications LED à boîtes quantiques
- 15. Les boîtes quantiques pourraient augmenter l'efficacité et réduire le coût des cellules photovoltaïques en silicium actuelles. Les cellules photovoltaïques à boîtes quantiques seraient théoriquement moins coûteuses à fabriquer, car elles peuvent être produites "à l'aide de réactions chimiques simples Dispositifs photovoltaïques Applications
- 16. Jonction p-n.La lumière du soleil excite les électrons et crée des paires électron-trou. Les électrons se concentrent d'un côté de la cellule et les trous de l'autre côté.La connexion des deux côtés crée de l'électricité Applications Effet photovoltaïque
- 17. L'imagerie médicale Applications utilise des boites quantiques pour cibler et marquer des protéines membranaires spécifiques des globules rouges humains. Sur la photo, les caractéristiques violettes indiquent les noyaux des parasites du paludisme. Leur nombre augmente à mesure que le développement du paludisme progresse
- 18. Lasers quantiques Applications Les boîtes quantiques peuvent également être utilisées pour créer des lasers quantiques qui ont des utilisations dans les communications et l'informatique quantique
- 19. Avantages et limitations Les limitations • Quantification de l'énergie : Contrôle précis des niveaux d'énergie électronique. • Propriétés Optiques Uniques : Luminescence, large spectre d'absorption/émission. • Syntonisation des Propriétés Optiques : Ajustement possible de la taille pour des performances optimales. • Applications Quantiques : Prometteur pour l'informatique quantique et les technologies quantiques. • Difficultés de Fabrication : Uniformité et reproduction à grande échelle sont des défis. • Interaction Environnementale : Sensibles à l'environnement, pouvant entraîner des variations indésirables. • Coût de Fabrication Élevé : Certaines méthodes peuvent être coûteuses. • Intégration dans les Dispositifs : Défis d'intégration avec d'autres composants électroniques. • Limitations de Température : Certaines boîtes quantiques peuvent avoir des restrictions de température de fonctionnement. Les avantages
- 20. Les boîtes quantiques sont une application fascinante des semi- conducteurs avec des avantages importants et des limitations importantes à considérer. Comprendre les boîtes quantiques nous aide à mieux comprendre les semi-conducteurs et leur utilisation dans la technologie moderne. Conclusion
- 21. Travaux futurs Plusieurs travaux de recherche se concentrent actuellement sur l'application des points quantiques dans la structure matérielle des micro-ordinateurs, des circuits intégrés, des puces de silicium et des méthodes qui préservent l'unité nécessaire pour alimenter des ordinateurs viables ultrarapides, connus pour utiliser la rotation du spin des trous plutôt que celle des électrons, permettant de maintenir les bits quantiques dans le même état physique pendant des durées bien plus longues qu'auparavant
- 22. Merci de votre attention
Notes de l'éditeur
- Qu'est-ce qu'une boîte quantique? Il s'agit d'une nanostructure tridimensionnelle confinant les électrons dans les trois directions spatiales. Ces structures, souvent à l'échelle nanométrique, présentent des propriétés électroniques distinctes en raison de leur confinement quantique La dimensionnalité joue un rôle crucial. En 0D, les points quantiques confinent les électrons dans tous les sens. En 1D, des fils quantiques créent une contrainte dans une direction. En 2D, des feuilles quantiques limitent les électrons dans deux directions, et en 3D, des boîtes quantiques complètes confinent les électrons dans toutes les directions
- 0D (Point) : Densité d'états ρ Augmente avec l'énergie dans les points quantiques plus petits. Et les Niveaux d'énergie sont discrétisés, pas de dispersion traditionnelle. 1D (Fil) : Densité d'états ρ Augmente avec l'énergie, variation dépendante de la structure du fil. Bandes d'énergie sont discrètes le long du fil. 2D (Feuille) : Densité d'états ρ Augmente avec l'énergie, dépend de la taille de la boîte quantique 2D. Bandes d'énergie quantifiées dépendant de la quantité de mouvement dans les directions de la boîte. 3D (Volume) : Densité d'états ρ Augmente continuellement avec l'énergie. Bandes d'énergie dépendent de la quantité de mouvement dans toutes les directions de l'espace, avec une bande interdite séparant la bande de conduction et la bande de valence. Le confinement quantique crée des niveaux d'énergie discrets. Plus la boîte quantique est petite, plus ces niveaux sont espacés. Cette propriété, combinée à la dimensionnalité, influence les propriétés électroniques
- "Abordons maintenant la structure des boîtes quantiques : Cœur des Boîtes Quantiques , souvent composé de matériaux semi-conducteurs spécifiques, est l'espace où les électrons sont confinés. La taille précise de ce cœur influence directement les propriétés électroniques, créant des niveaux d'énergie discrets et quantifiés." Structure Cristalline du Cœur des boîtes quantiques détermine la disposition spatiale des atomes, ce qui, à son tour, influence la distribution de la densité d'états électronique. Une structure cristalline bien définie est essentielle pour des propriétés électroniques robustes." Enveloppe des Boîtes Quantiques également appelée barrière de confinement, entoure le cœur. Elle agit comme une barrière énergétique, empêchant la fuite d'électrons du cœur. La composition et l'épaisseur de cette enveloppe sont cruciales pour le confinement quantique efficace." Les matériaux utilisés pour construire l'enveloppe peuvent varier et sont souvent choisis pour leurs propriétés spécifiques. Par exemple, des semi-conducteurs à large bande interdite peuvent servir de barrières, assurant une confinement plus fort."
- K cte de boltzman pq,ris les proprietes auqntiaue on distinque entre deux types de propriete les proprieties electroniques et optiques pour les proprieties electronique
- Vrac : matériau en phase massive
- Les puits quantiques sont recouverts d'un masque en polymère et exposés à un faisceau d'électrons ou d'ions. La surface est ensuite recouverte d'une fine couche de métal, puis nettoyée, et seules les zones exposées conservent la couche métallique. Des piliers sont gravés sur toute la surface. Plusieurs couches sont appliquées de cette manière pour construire les propriétés et la taille souhaitées.
- Étapes spécifiques pour la fabrication de boîtes quantiques : Préparation du substrat : Choix d'un substrat cristallin, nettoyage en profondeur pour éliminer les contaminants. Émission des molécules ou des atomes : Utilisation d'un faisceau moléculaire pour déposer les matériaux couche par couche. Contrôle précis : Réglage du flux des molécules pour obtenir une croissance atomique précise des boîtes quantiques.
- 1. *Vaporisation des composés :* Choix de composés semi-conducteurs, vaporisation à haute température. 2. *Transport des gaz vers le substrat :* Les gaz vaporisés réagissent pour former des couches cristallines sur le substrat.
- *Réactions chimiques en phase vapeur : Utilisation de gaz précurseurs qui réagissent chimiquement pour former les matériaux sur le substrat.2. *Formation des couches :* Les réactions chimiques déposent des couches cristallines sur le substrat.
- Les boites quantiques peuvent améliorer l'efficacité des cellules solaires en élargissant la plage de longueurs d'onde absorbées et en réduisant les pertes de conversion d'énergie.
- Les boîtes quantiques permettent des images de haute résolution pour le suivi des cellules et la détection des tumeurs.
- Les boîtes quantiques ont de nombreux avantages, mais elles ont également des limitations importantes à prendre en compte. Cependant, leur fabrication uniforme à grande échelle reste un défi majeur. Ces petites structures sensibles à leur environnement peuvent également poser des problèmes d'interaction. Tout en étant coûteuses à produire, l'intégration dans des dispositifs complexes et les restrictions de température de certaines boîtes quantiques sont autant de défis passionnants qui demandent notre attention.