Des chercheurs de l'Institute of Solid State Physics élaborent une approche radicalement nouvelle pour la conception des propriétés optiques et électroniques des matériaux dans Matériaux avancés .

La conception de matériaux informatiques est traditionnellement utilisée pour améliorer et développer davantage des matériaux déjà existants. Les simulations donnent un aperçu approfondi des effets de la mécanique quantique qui déterminent les propriétés des matériaux. Egbert Zojer et son équipe de l'Institut de physique du solide de la TU de Graz franchissent une étape décisive :ils utilisent des simulations informatiques pour proposer un tout nouveau concept de contrôle des propriétés électroniques des matériaux. Influences potentiellement perturbatrices résultant de la disposition régulière des éléments polaires, effets électrostatiques dits collectifs, sont utilisés par le groupe de recherche pour manipuler intentionnellement les propriétés des matériaux. Que cette approche radicalement nouvelle fonctionne également pour les matériaux tridimensionnels a été démontré par l'équipe de Graz dans Matériaux avancés , qui selon Google Scholar est la revue internationale la plus importante dans le domaine de la recherche sur les matériaux.

Manipulation du paysage des matériaux énergétiques

"L'approche de base du concept de conception électrostatique consiste à modifier les états électroniques des semi-conducteurs via l'arrangement périodique des groupes dipolaires. De cette manière, nous sommes capables de manipuler localement les niveaux d'énergie de manière contrôlée. Ce faisant, nous n'essayons pas de trouver des moyens de contourner de tels effets qui sont inévitables surtout au niveau des interfaces. Plutôt, nous les utilisons délibérément à nos propres fins, " explique Egbert Zojer.

Ce sujet est au centre des recherches du groupe Zojer depuis un certain temps déjà. La première étape a été la conception électrostatique de monocouches moléculaires, par exemple sur des électrodes d'or. Des expériences ont montré que les déplacements d'énergie prédits au sein des couches ont réellement lieu et que le transport de charges à travers les monocouches peut être délibérément modulé. Aussi, les états électroniques des matériaux bidimensionnels, comme le graphène, peut être contrôlé au moyen d'effets électrostatiques collectifs. Dans la parution en Matériaux avancés , doctorante Veronika Obersteiner, Egbert Zojer et d'autres collègues de l'équipe démontrent tout le potentiel du concept en l'étendant aux matériaux tridimensionnels.

"Pour l'exemple des réseaux organiques covalents tridimensionnels, nous montrons comment – ​​au moyen d'effets électrostatiques collectifs – le paysage énergétique au sein d'un matériau en vrac tridimensionnel peut être manipulé de telle sorte que des chemins spatialement confinés pour les électrons et les trous puissent être réalisés. De cette façon, les porteurs de charge peuvent, par exemple, être séparés et les propriétés électroniques du matériau peuvent être conçues comme souhaité, " dit Zojer.

Le concept est particulièrement intéressant pour les cellules solaires. Dans les cellules solaires organiques classiques, blocs de construction chimiquement différents, les soi-disant donneurs et accepteurs, sont utilisés pour séparer les paires électron-trou photogénérées. Dans l'approche proposée ici, le décalage local nécessaire des niveaux d'énergie se produit en raison de l'arrangement périodique des groupes polaires. Les zones semi-conductrices sur lesquelles les électrons et les trous sont déplacés sont chimiquement identiques. "De cette façon, nous pouvons affiner les niveaux d'énergie de manière quasi continue et efficace en faisant varier la densité des dipôles. Ce travail est le point culminant de nos recherches intensives sur la conception électrostatique des matériaux, " dit Zojer.

La conception électrostatique dans les systèmes 3D peut également permettre la réalisation de structures quantiques complexes, tels que les cascades quantiques et les échiquiers quantiques. " Seule l'imagination du concepteur de matériaux peut fixer des limites à notre concept, " dit Zojer.