Université de Californie, Berkeley, les scientifiques ont créé une diode électroluminescente (DEL) bleue à partir d'un nouveau matériau semi-conducteur à la mode, pérovskite aux halogénures, surmonter un obstacle majeur à l'emploi de ces produits bon marché, matériaux faciles à fabriquer dans les appareils électroniques.

Dans le processus, cependant, les chercheurs ont découvert une propriété fondamentale des pérovskites aux halogénures qui pourrait constituer un obstacle à leur utilisation généralisée en tant que cellules solaires et transistors.

Alternativement, cette propriété unique peut ouvrir un tout nouveau monde pour les pérovskites bien au-delà de celui des semi-conducteurs standard d'aujourd'hui.

Dans un article paru le 24 janvier dans le journal Avancées scientifiques , Le chimiste de l'UC Berkeley Peidong Yang et ses collègues montrent que la structure cristalline des pérovskites aux halogénures change avec la température, l'humidité et l'environnement chimique, perturbant leurs propriétés optiques et électroniques. Sans contrôle étroit de l'environnement physique et chimique, Les dispositifs à pérovskite sont intrinsèquement instables. Ce n'est pas un problème majeur pour les semi-conducteurs traditionnels.

"Certaines personnes peuvent dire que c'est une limitation. Pour moi, Ceci est une grande opportunité, " dit Yang, la chaire distinguée S. K. et Angela Chan en énergie au Collège de chimie et directeur du Kavli Energy NanoSciences Institute. « C'est une nouvelle physique :une nouvelle classe de semi-conducteurs qui peut être facilement reconfigurée, selon le type d'environnement dans lequel vous les placez. Ils pourraient être un très bon capteur, peut-être un très bon photoconducteur, car ils seront très sensibles dans leur réponse à la lumière et aux produits chimiques."

Les semi-conducteurs actuels en silicium ou en nitrure de gallium sont très stables sur une plage de températures, principalement parce que leurs structures cristallines sont maintenues ensemble par de fortes liaisons covalentes. Les cristaux de pérovskite aux halogénures sont maintenus ensemble par des liaisons ioniques plus faibles, comme ceux d'un cristal de sel. Cela signifie qu'ils sont plus faciles à préparer - ils peuvent être évaporés à partir d'une solution simple - mais aussi sensibles à l'humidité, chaleur et autres conditions environnementales.

"Ce document ne vise pas seulement à montrer que nous avons fabriqué cette LED bleue, " dit Yang, qui est chercheur principal au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley. "Nous disons également aux gens que nous devons vraiment faire attention à l'évolution structurelle des pérovskites pendant le fonctionnement de l'appareil, chaque fois que vous conduisez ces pérovskites avec un courant électrique, que ce soit une LED, une cellule solaire ou un transistor. Il s'agit d'une propriété intrinsèque de cette nouvelle classe de semi-conducteurs et elle affecte tout dispositif optoélectronique potentiel à l'avenir utilisant cette classe de matériau."

Le blues à diodes bleues

Fabriquer des diodes semi-conductrices émettant de la lumière bleue a toujours été un défi, dit Yang. Le prix Nobel de physique 2014 a été décerné pour la création révolutionnaire de diodes électroluminescentes bleues efficaces à partir de nitrure de gallium. Diodes, qui émettent de la lumière lorsqu'un courant électrique les traverse, sont des composants optoélectroniques dans les circuits à fibre optique ainsi que des lampes LED à usage général.

Depuis que les pérovskites aux halogénures ont attiré l'attention pour la première fois en 2009, lorsque des scientifiques japonais ont découvert qu'ils fabriquaient des cellules solaires très efficaces, ceux-ci faciles à faire, les cristaux bon marché ont enthousiasmé les chercheurs. Jusque là, des diodes électroluminescentes rouges et vertes ont été démontrées, mais pas bleu. Les diodes électroluminescentes à pérovskite aux halogénures ont été instables, c'est-à-dire leur couleur devient plus longue, longueurs d'onde plus rouges à l'usage.

Comme Yang et ses collègues l'ont découvert, cela est dû à la nature unique de la structure cristalline des pérovskites. Les pérovskites aux halogénures sont composées d'un métal, comme le plomb ou l'étain, nombre égal d'atomes plus gros, comme le césium, et trois fois le nombre d'atomes d'halogénure, comme le chlore, brome ou iode.

Lorsque ces éléments sont mélangés en solution puis séchés, les atomes s'assemblent en un cristal, tout comme le sel cristallise dans l'eau de mer. En utilisant une nouvelle technique et les ingrédients césium, plomb et brome, les chimistes de l'UC Berkeley et du Berkeley Lab ont créé des cristaux de pérovskite qui émettent de la lumière bleue, puis les ont bombardés de rayons X au Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) pour déterminer leur structure cristalline à différentes températures. Ils ont trouvé que, lorsqu'il est chauffé de la température ambiante (environ 300 Kelvin) à environ 450 Kelvin, une température de fonctionnement commune pour les semi-conducteurs, la structure écrasée du cristal s'est élargie et a finalement pris une nouvelle configuration orthorhombique ou tétragonale.

Étant donné que la lumière émise par ces cristaux dépend de la disposition et des distances entre les atomes, la couleur change avec la température, également. Un cristal de pérovskite qui a émis une lumière bleue (longueur d'onde de 450 nanomètres) à 300 Kelvin a soudainement émis une lumière bleu-vert à 450 Kelvin.

Yang attribue la structure cristalline flexible des pérovskites aux liaisons ioniques plus faibles typiques des atomes d'halogénure. La pérovskite minérale naturelle incorpore de l'oxygène au lieu des halogénures, produisant un minéral très stable. Les semi-conducteurs à base de silicium et de nitrure de gallium sont également stables car les atomes sont liés par de fortes liaisons covalentes.

Faire des pérovskites à émission bleue

Selon Yang, les diodes à pérovskite émettant dans le bleu ont été difficiles à créer car la technique standard de croissance des cristaux sous forme de film mince encourage la formation de structures cristallines mixtes, dont chacun émet à une longueur d'onde différente. Les électrons sont acheminés vers ces cristaux avec la plus petite bande interdite, c'est-à-dire la plus petite plage d'énergies non autorisées - avant d'émettre de la lumière, qui a tendance à être rouge.

Pour éviter cela, Les boursiers postdoctoraux de Yang et les co-premiers auteurs—Hong Chen, Jia Lin et Joohoon Kang, devenus célibataires, cristaux stratifiés de pérovskite et, adapter une méthode low-tech pour créer du graphène, ruban utilisé pour décoller une seule couche de pérovskite uniforme. Lorsqu'il est incorporé dans un circuit et zappé avec de l'électricité, la pérovskite brillait de bleu. La longueur d'onde bleue réelle variait avec le nombre de couches de cristaux de pérovskite octaédrique, qui sont séparés les uns des autres par une couche de molécules organiques qui permet une séparation aisée des couches de pérovskite et protège également la surface.

Néanmoins, les expériences SLAC ont montré que les pérovskites émettant du bleu changeaient leurs couleurs d'émission avec la température. Cette propriété peut avoir des applications intéressantes, dit Yang. Il y a deux ans, il a démontré une fenêtre en pérovskite aux halogénures qui devient sombre au soleil et transparente lorsque le soleil se couche et produit également de l'énergie photovoltaïque.

"Nous devons réfléchir à différentes manières d'utiliser cette classe de semi-conducteurs, " Il a dit. " Nous ne devrions pas mettre les pérovskites aux halogénures dans le même environnement d'application qu'un semi-conducteur covalent traditionnel, comme le silicium. Nous devons réaliser que cette classe de matériaux possède des propriétés structurelles intrinsèques qui la rendent prête à se reconfigurer. Nous devrions l'utiliser."