Des chercheurs de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) ont utilisé la spectroscopie à particule unique pour étudier l'électroluminescence dans des dispositifs électroluminescents. Ils ont découvert que l'entonnoir de charge efficace entre les nanocristaux de pérovskite individuels et le phénomène de clignotement d'émission sont responsables de la faible efficacité des dispositifs électroluminescents à pérovskite.

Les pérovskites aux halogénures métalliques sont récemment apparues comme un matériau alternatif exceptionnellement prometteur pour les applications optoélectroniques de nouvelle génération. Les structures de pérovskite de taille nanométrique possèdent des propriétés photophysiques remarquables, comme la bande interdite directe, accordabilité des couleurs, une grande section efficace d'absorption, et une largeur de raie de photoluminescence étroite. Avec leur faible coût, faisabilité de la synthèse à grande échelle, traitabilité de la solution et compatibilité avec les composants de dispositifs optoélectroniques existants, ces propriétés font des nanocristaux de pérovskite aux halogénures métalliques une alternative faisable à d'autres matériaux semi-conducteurs pour une gamme d'applications émettant de la lumière, y compris les écrans, éclairage, laser, ainsi que des dispositifs de mémoire.

Cependant, tandis que les nanocristaux de pérovskite présentent un rendement de photoluminescence très élevé, les dispositifs d'électroluminescence préparés à partir de tels nanocristaux ont longtemps souffert d'un faible rendement. Les efforts récents se sont concentrés sur l'ingénierie des appareils pour surmonter ce problème, mais si loin, il n'y a pas eu d'étude systématique sur l'origine physique à l'échelle nanométrique des faibles rendements. Ici, l'équipe du prof. Martin Vacha de Tokyo Tech a utilisé la détection et la spectroscopie microscopiques de particules uniques pour étudier le processus d'électroluminescence au niveau de nanocristaux individuels.

L'équipe a utilisé des nanocristaux de la pérovskite CsPbBr 3 passivé en surface avec des ligands d'acide oléique, dispersé dans un film mince d'un polymère conducteur qui a été utilisé comme couche d'émission dans un dispositif électroluminescent (DEL). L'appareil a été conçu pour être utilisé sur un microscope à fluorescence inversé, qui a permis de comparer l'électroluminescence et la photoluminescence à partir des mêmes nanocristaux. Le CsPbBr 3 les nanocristaux forment des agrégats au sein de la couche d'émission, avec chaque agrégat contenant des dizaines à des centaines de nanocristaux individuels.

Les chercheurs ont utilisé une imagerie avancée à super-résolution pour déterminer qu'en photoluminescence, tous les nanocristaux de l'agrégat émettent de la lumière; en électroluminescence, seul un petit nombre (typiquement trois à sept) des nanocristaux émettent activement (Fig. 1). Ceci est le résultat de la distribution des tailles et du paysage énergétique qui en résulte au sein de l'agrégat. Les charges électriques qui sont injectées dans l'appareil pendant l'opération sont capturées sur des nanocristaux individuels et efficacement canalisées vers les plus gros nanocristaux. Les plus gros nanocristaux de l'agrégat ont la plus petite bande interdite d'énergie, et leurs bandes de valence et de conduction fonctionnent comme des pièges pour les charges capturées à l'origine dans les nanocristaux environnants. L'environnement conducteur présent entre les nanocristaux permet une migration efficace des charges vers ces pièges d'où a lieu l'électroluminescence, comme le montre schématiquement la figure 1.

Une autre découverte importante est que l'intensité de l'électroluminescence des nanocristaux à émission active n'est pas constante, mais montre plutôt de fortes fluctuations, ce qu'on appelle le clignotement (Fig. 1). Un tel clignotement n'est pas présent dans la photoluminescence des mêmes agrégats. Les chercheurs ont déjà découvert que le clignotement peut être causé par la matrice conductrice ainsi que par un champ électrique appliqué de l'extérieur. Dans le dispositif LED, le phénomène de clignotement est un facteur crucial qui contribue à la moindre efficacité de l'électroluminescence. Les chercheurs ont conclu que l'efficacité de l'électroluminescence n'est que d'environ un tiers de celle de la photoluminescence en raison de la présence du phénomène de clignotement.

Le présent travail ouvre la voie à une caractérisation efficace à l'échelle nanométrique de l'électroluminescence des matériaux pérovskites aux halogénures pour des applications électroluminescentes. L'une des clés d'une plus grande efficacité sera l'ingénierie de surface des nanocristaux qui supprimerait les fluctuations d'intensité.