Une équipe de recherche dirigée par le professeur Felix Deschler de l’Institut de chimie physique de l’Université de Heidelberg a développé un semi-conducteur qui génère efficacement de la lumière tout en lui donnant une certaine rotation. Selon les chercheurs, le matériau dit pérovskite chiral possède un grand potentiel technologique qui peut être utilisé pour des applications dans les domaines de l’optoélectronique, des télécommunications et du traitement de l’information.
Générer une lumière vive et polarisée circulairement est depuis longtemps un objectif de la science des matériaux. Il est considéré comme extrêmement difficile d’obtenir une chiralité distincte, qui décrit la rotation de la lumière dans une direction spécifique, ainsi qu’une efficacité quantique de photoluminescence élevée (PLQE). La valeur PLQE exprime la capacité d’un matériau à émettre de la lumière. Les semi-conducteurs inorganiques sont capables d’émettre une luminosité élevée mais présentent généralement une faible polarisation de la lumière.
En revanche, les semi-conducteurs moléculaires organiques ont une polarisation élevée, mais leur luminosité est souvent limitée par les pertes dues à l’obscurité. « Jusqu’à présent, il manquait un matériau combinant véritablement l’efficacité quantique de luminescence élevée des semi-conducteurs inorganiques et la forte chiralité des systèmes moléculaires organiques », rapporte Felix Deschler.
Pour obtenir simultanément la luminosité souhaitée et la polarisation élevée, le groupe de recherche de Heidelberg a développé un semi-conducteur hybride métal-halogénure pérovskite avec une structure en couches. Les scientifiques ont intégré une molécule organique chirale personnalisée dans la structure pérovskite en tant que composant hybride.
L’utilisation d’une petite molécule aromatique avec un atome d’halogène placé avec précision dans le cycle aromatique a donné naissance à de nouveaux pérovskites chiraux portant la désignation structurelle R/S-3BrMBA2PbI4. « La capacité de modifier la structure de manière aussi spectaculaire tout en conservant de bonnes performances matérielles souligne la capacité des matériaux pérovskites à tolérer la distorsion de la structure cristalline », explique le doctorant Shangpu Liu.
En raison de leurs structures cristallines fortement déformées, les pérovskites chirales 3BrMBA2PbI4 présentent un degré de luminescence à polarisation circulaire nettement meilleur que les autres matériaux, même à température ambiante. Aidé par des mesures sophistiquées de spectroscopie laser ultra-rapide, les chercheurs ont pu découvrir les processus à l’origine de la génération de cette lumière spéciale. Les valeurs trouvées pour la polarisation et la luminosité dépassent celles connues pour les semi-conducteurs chiraux précédemment utilisés.
Les chercheurs ont également pu montrer que les nouveaux matériaux sont extrêmement prometteurs pour les applications reposant sur la lumière polarisée circulairement. Ils ont mis en œuvre ces matériaux dans des détecteurs de lumière capables d’enregistrer et de différencier la chiralité de la lumière incidente. En outre, l’équipe de recherche a développé des diodes électroluminescentes à partir desquelles la lumière peut être générée à partir de l’électricité.
La recherche a été menée dans le cadre de la subvention de démarrage ERC « Twisted Perovskites—Control of Spin and Chirality in Highly-luminescent Metal-halide Perovskites » dirigée par le professeur Deschler. Les résultats ont été publiés Avancées scientifiques.
Plus d’information:
Shangpu Liu et al, Photoluminescence brillante à polarisation circulaire dans des pérovskites hybrides aux halogénures de plomb en couches chirales, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adh5083