Les chercheurs ont développé et démontré une technique qui leur permet de concevoir une classe de matériaux appelés pérovskites hybrides en couches (LHP) jusqu’au niveau atomique, ce qui dicte précisément la manière dont les matériaux convertissent la charge électrique en lumière. Cette technique ouvre la porte à l’ingénierie de matériaux adaptés à une utilisation dans les LED et lasers imprimés de nouvelle génération et est prometteuse pour l’ingénierie d’autres matériaux destinés à être utilisés dans les appareils photovoltaïques.
L’article, « Cationic Ligation Guides Quantum Well Formation in Layered Hybrid Perovskites », est publié dans la revue Matière.
Les pérovskites, définies par leur structure cristalline, possèdent des propriétés optiques, électroniques et quantiques recherchées. Les LHP sont constitués de feuilles incroyablement fines de matériau semi-conducteur pérovskite qui sont séparées les unes des autres par de fines couches organiques « d’espacement ».
Les LHP peuvent être déposés sous forme de films minces constitués de plusieurs feuilles de pérovskite et de couches d’espacement organiques. Ces matériaux sont souhaitables car ils peuvent convertir efficacement la charge électrique en lumière, ce qui les rend prometteurs pour une utilisation dans les LED, les lasers et les circuits intégrés photoniques de nouvelle génération.
Cependant, même si les LHP intéressent la communauté des chercheurs depuis des années, on ne savait pas vraiment comment concevoir ces matériaux afin de contrôler leurs caractéristiques de performance.
Pour comprendre ce que les chercheurs ont découvert, il faut commencer par les puits quantiques, qui sont des feuilles de matériau semi-conducteur prises en sandwich entre des couches d’espacement.
« Nous savions que des puits quantiques se formaient dans les LHP – ce sont les couches », explique Aram Amassian, auteur correspondant d’un article sur les travaux et professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université d’État de Caroline du Nord.
Et comprendre la distribution de taille des puits quantiques est important car l’énergie circule des structures à haute énergie vers les structures à basse énergie au niveau moléculaire.
« Un puits quantique d’une épaisseur de deux atomes a une énergie plus élevée qu’un puits quantique d’une épaisseur de cinq atomes », explique Kenan Gundogdu, co-auteur de l’article et professeur de physique à NC State. « Et pour que l’énergie circule efficacement, vous voulez avoir des puits quantiques de trois à quatre atomes d’épaisseur entre les puits quantiques de deux et cinq atomes d’épaisseur. Vous voulez essentiellement avoir une pente graduelle sur laquelle l’énergie peut descendre en cascade. « .
« Mais les personnes étudiant les LHP se sont heurtées à une anomalie : la distribution de taille des puits quantiques dans un échantillon de LHP qui pourrait être détectée par diffraction des rayons X serait différente de la distribution de taille des puits quantiques qui pourraient être détectés par spectroscopie optique », a déclaré Amassian. dit.
« Par exemple, la diffraction pourrait vous indiquer que vos puits quantiques ont une épaisseur de deux atomes et qu’il existe un cristal massif tridimensionnel », explique Amassian. « Mais la spectroscopie pourrait vous indiquer que vous disposez de puits quantiques composés de deux atomes, de trois atomes et de quatre atomes d’épaisseur, ainsi que d’une phase globale 3D.
« Donc, la première question que nous nous sommes posée était : pourquoi constatons-nous cette déconnexion fondamentale entre la diffraction des rayons X et la spectroscopie optique ? Et notre deuxième question était : comment pouvons-nous contrôler la taille et la distribution des puits quantiques dans les LHP ? »
Grâce à une série d’expériences, les chercheurs ont découvert qu’il existait un acteur clé impliqué dans la réponse à ces deux questions : les nanoplaquettes.
« Les nanoplaquettes sont des feuilles individuelles de pérovskite qui se forment à la surface de la solution que nous utilisons pour créer des LHP », explique Amassian. « Nous avons constaté que ces nanoplaquettes servent essentiellement de modèles pour les matériaux en couches qui se forment sous elles. Ainsi, si la nanoplaquette a une épaisseur de deux atomes, le LHP situé en dessous se forme sous la forme d’une série de puits quantiques de deux atomes d’épaisseur.
« Cependant, les nanoplaquettes elles-mêmes ne sont pas stables, comme le reste du matériau LHP. Au lieu de cela, l’épaisseur des nanoplaquettes continue de croître, ajoutant de nouvelles couches d’atomes au fil du temps. Ainsi, lorsque la nanoplaquette a trois atomes d’épaisseur, elle forme trois- puits quantiques d’atomes, etc. Et, finalement, la nanoplaquette devient si épaisse qu’elle devient un cristal tridimensionnel.
Cette découverte a également résolu l’anomalie de longue date concernant la raison pour laquelle la diffraction des rayons X et la spectroscopie optique fournissaient des résultats différents. La diffraction détecte l’empilement de feuillets et ne détecte donc pas les nanoplaquettes, alors que la spectroscopie optique détecte les feuillets isolés.
« Ce qui est passionnant, c’est que nous avons découvert que nous pouvons essentiellement arrêter la croissance des nanoplaquettes de manière contrôlée, essentiellement en ajustant la taille et la distribution des puits quantiques dans les films LHP », explique Amassian. « Et en contrôlant la taille et la disposition des puits quantiques, nous pouvons obtenir d’excellentes cascades d’énergie, ce qui signifie que le matériau est très efficace et rapide pour canaliser les charges et l’énergie aux fins des applications laser et LED. »
Lorsque les chercheurs ont découvert que les nanoplaquettes jouaient un rôle crucial dans la formation des couches de pérovskite dans les LHP, ils ont décidé de voir si les nanoplaquettes pouvaient être utilisées pour modifier la structure et les propriétés d’autres matériaux pérovskites, tels que les pérovskites utilisées pour convertir la lumière en électricité. dans les cellules solaires et autres technologies photovoltaïques.
« Nous avons constaté que les nanoplaquettes jouent un rôle similaire dans d’autres matériaux pérovskites et peuvent être utilisées pour concevoir ces matériaux afin d’améliorer la structure souhaitée, améliorant ainsi leurs performances et leur stabilité photovoltaïques », explique Milad Abolhasani, co-auteur de l’article et professeur de ALCOA. Génie chimique et biomoléculaire à NC State.
L’article a été co-écrit par Kasra Darabi, Fazel Bateni, Tonghui Wang, Laine Taussig et Nathan Woodward, tous titulaires d’un doctorat. diplômés de NC State; Mihirsinh Chauhan, Boyu Guo, Jiantao Wang, Dovletgeldi Seyitliyev, Masoud Ghasemi et Xiangbin Han, qui sont tous des chercheurs postdoctoraux à NC State ; Evgeny Danilov, directeur du laboratoire d’imagerie et de spectroscopie cinétique de NC State ; Xiaotong Li, professeur adjoint de chimie à NC State ; et Ruipeng Li du Laboratoire national de Brookhaven.
Plus d’informations :
Kasra Darabi et al, La ligature cationique guide la formation de puits quantiques dans les pérovskites hybrides en couches, Matière (2024). DOI : 10.1016/j.matt.2024.09.010