Une application très prometteuse des NCx semi-conducteurs est leur utilisation dans le domaine biomédical et plus particulièrement pour l’imagerie biomédicale. Dans ce domaine, les fluorophores organiques sont principalement et historiquement les plus utilisés. Ils présentent une faible toxicité et leur élimination est rapide. Cependant, leurs propriétés optiques ne sont pas optimales. En effet, ces systèmes ont une longueur d’onde d’émission fixée, de faibles intensités de fluorescence lorsqu’ils sont observés en particule unique et ils photoblanchissent très rapidement. Les NCx semi-conducteurs luminescents permettent de pallier ces problèmes et furent proposés en 1998 pour les remplacer.33,34
De nombreuses revues traitent des NCx semi-conducteurs pour le domaine biomédical et voici les principaux avantages de ces nanoparticules35,36,37 :
L’intensité de fluorescence d’une nanoparticule unique est plus importante qu’une molécule de fluorophore à RQ égal grâce à une plus grande section efficace d’absorption.
Les NCx sont plus résistants au photoblanchiment ce qui facilite la prise et l’analyse des images.
29 Peng, X.; Schlamp, M. C.; Kadavanich, A. V.; Alivisatos, A. P. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119 (30), 7019-7029. 30 Reiss, P.; Bleuse, J.; Pron, A. Nano Lett. 2002, 2 (7), 781-784.
31 Danek, M.; Jensen, K. F.; Murray, C. B.; Bawendi, M. G. Chem. Mater. 1996, 8 (1), 173-180.
32 Talapin, D. V.; Mekis, I.; Götzinger, S.; Kornowski, A.; Benson, O.; Weller, H. J. Phys. Chem. B 2004, 108 (49), 18826-18831.
33 Chan, W. C. Science. 1998, 281 (5385), 2016-2018. 34 Bruchez Jr., M. Science. 1998, 281 (5385), 2013-2016.
35 Medintz, I. L.; Uyeda, H. T.; Goldman, E. R.; Mattoussi, H. Nat. Mater. 2005, 4 (6), 435-446.
36 Bogart, L. K.; Pourroy, G.; Murphy, C. J.; Puntes, V.; Pellegrino, T.; Rosenblum, D.; Peer, D.; Lévy, R. ACS
Nano 2014, 8 (4), 3107-3122.
Il est possible de moduler la longueur d’onde d’émission pour une même longueur d’onde d’excitation en utilisant différentes tailles afin de visualiser simultanément différentes zones d’intérêt. Cette technique est nommée multiplexage (Figure 8).38
Sur un NC il est possible de fonctionnaliser la surface avec des fonctions chimiques de natures différentes alors qu’avec un fluorophore organique une seule fonction peut généralement être accrochée. De plus les propriétés des fluorophores seront plus sensibles à l’ajout de cette fonction que les NCx.
Pour l’imagerie in vitro (test en tube, hors de l’organisme vivant), les fluorophores organiques présentent de nombreux atouts comme présentés ci-dessus et c’est surtout la photostabilité des NCx qui est mise en avant pour les remplacer. L’imagerie in vivo (sur un organisme vivant) impose plus de contraintes à cause de l’absorbance des tissus et des fluides organiques. En effet les NCx doivent présenter des longueurs d’onde d’absorption et d’émission dans le proche infra-rouge (IR) entre 700 et 900 nm ou entre 1000 et 1350 nm. Les tissus et les fluides organiques absorbent et émettent moins à ces longueurs d’ondes. Les NCx sont donc de très bons candidats pour des applications dans ces gammes de longueurs d’onde. Pour être utilisé en imagerie in vivo, les NCx doivent avoir une taille inférieur à 100 nm pour pouvoir franchir les barrières biologiques et ne pas relarguer de substances toxiques.39
Figure 8. Images réalisées dans le cadre du multiplexage. Les nanocristaux excités à la même longueur d’onde sont attachés à des zones d’intérêts différents. L’image nommé « merged » correspond à
l’assemblage de toutes les images prises. (issu de la référence 38)
38 Xu, H.; Xu, J.; Wang, X.; Wu, D.; Chen, Z. G.; Wang, A. Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5 (8), 2901-2907.
b. Domaine optoélectronique
L’un des autres grands domaines d’application des NCx est l’optoélectronique. Il existe différents dispositifs qui intègrent des NCx semi-conducteurs luminescents comme les lasers, les capteurs, les photodétecteurs, les transistors, les cellules photovoltaïques ou encore les dispositifs d’affichage et d’éclairage à base de diodes électroluminescentes (DEL). Nous en présenterons ici quelques-uns sans volonté d’exhaustivité.40
La recherche sur l’amélioration des panneaux photovoltaïques est très en vogue ces dernières décennies pour la diminution des dépenses énergétiques. Les NCx semi-conducteurs ont été intégrés pour la fabrication de ces cellules avec des polymères conjugués. Malgré le gros travail réalisé, il reste beaucoup d’améliorations à apporter au système car les caractéristiques restent moyennes, autour de 9 % d’efficacité contre 15 % pour les cellules photovoltaïques à base de silicium. 41,42
L’une des applications les plus étudiées est la fabrication de dispositifs d’affichages et d’éclairages intégrant des DEL. Toujours dans un souci d’économiser les ressources mondiales, les DEL se sont imposées sur le marché. Elles ont pour intérêt une forte autonomie, une bonne durée de vie et une consommation électrique réduite par rapport aux dispositifs précédemment utilisés comme les lampes à incandescence ou les lampes halogènes. Il existe deux techniques d’intégration de NCx dans des DEL.
La première technique de fabrication de DEL consiste à déposer un film de NCx directement sur une DEL bleue commerciale à base de GaN. Les NCx absorbent et réémettent les photons émis par la DEL bleue. Ce système est schématisé sur la Figure 9 et est relativement simple à mettre en place.
Figure 9. Schéma d’un système de DEL embarquant une DEL bleue commerciale et des NCx. Les cercles représentent les NCx avec leur couleur d’émission.
40 Talapin, D. V; Lee, J.-S.; Kovalenko, M. V; Shevchenko, E. V. Chem. Rev. 2010, 110 (1), 389-458. 41 Kamat, P. V. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4 (6), 908-918.
42 Carey, G. H.; Abdelhady, A. L.; Ning, Z.; Thon, S. M.; Bakr, O. M.; Sargent, E. H. Chem. Rev. 2015, 115 (23), 12732-12763.
La seconde consiste en un film de NCx semi-conducteurs luminescents directement déposé entre deux électrodes. L’anode injecte des trous dans la BV des NCx et la cathode injecte des électrons dans la BC. Sous l’attraction d’un champ électrique externe, les charges migrent vers l’autre électrode. Ces charges se recombinent dans les NCx et émettent en se désexcitant, des photons d’énergie égale à la bande interdite des NCx. Dans ce système la DEL est directement composée de NCx et la Figure 10 présente le schéma de ce type de système.
Figure 10. Schéma d’un système où les NCx constituent une DEL. Les cercles représentent les NCx avec leur couleur d’émission.
Le premier système est plus facile à mettre en place mais l’avantage du second est le gain énergétique et la possibilité de miniaturiser encore plus le système. Ainsi il est possible d’obtenir des DEL émettant dans toutes les couleurs. Les défis sur ces types de dispositifs restent l’amélioration des systèmes utilisant les NCx comme DEL ainsi que l’amélioration de la définition et de la pureté des couleurs. Des systèmes commerciaux d’écrans de télévision43
existent déjà mais il y a encore peu de recul sur la stabilité de ces dispositifs dans le temps.44,45,46