Certaines diodes électroluminescentes (LED) créées à partir de pérovskite, une classe de matériaux optoélectroniques, émettent de la lumière sur une large gamme de longueurs d'onde. Des scientifiques de l'Université de Groningue ont maintenant montré que dans certains cas, l'explication de ce phénomène est incorrecte. Leur nouvelle explication devrait aider les scientifiques à concevoir des LED à pérovskite capables d'émettre de la lumière sur une large plage. L'étude a été publiée dans la revue Communication Nature le 11 mai.

Les pérovskites de faible dimension (2D ou 1D) émettent de la lumière dans une plage spectrale étroite et sont donc utilisées pour fabriquer des diodes électroluminescentes d'une pureté de couleur supérieure. Cependant, dans certains cas, les chercheurs ont noté un large spectre d'émission à des niveaux d'énergie inférieurs au spectre étroit. Cela a suscité un grand intérêt car il pourrait être utilisé pour produire des LED à lumière blanche plus facilement par rapport aux procédés actuels. Concevoir des pérovskites à des fins spécifiques, cependant, il faut comprendre pourquoi certaines pérovskites produisent des émissions à large spectre alors que d'autres émettent un spectre étroit.

Confinement quantique

Les pérovskites sont un groupe polyvalent de matériaux avec une structure cristalline distinctive connue sous le nom de structure pérovskite. Dans une maille cubique idéalisée, les anions forment un octaèdre autour d'un cation central tandis que les coins du cube sont occupés par d'autres, cations plus gros. Différents ions peuvent être utilisés pour créer différentes pérovskites.

Dans les pérovskites hybrides, les cations sont des molécules organiques de différentes tailles. Lorsque la taille dépasse une certaine dimension, la structure devient bidimensionnelle ou stratifiée. Le confinement quantique qui en résulte a des conséquences importantes sur les propriétés physiques du matériau, et en particulier, pour les propriétés optiques.

Émissions

« Il existe de nombreux rapports dans la littérature où, en plus de l'émission étroite de ces systèmes de faible dimension, il existe un large spectre de basse énergie. Et cela est considéré comme une propriété intrinsèque du matériau, " dit Maria Loi, Professeur de photophysique et d'optoélectronique à l'Université de Groningue. Précédemment, les chercheurs pensaient que les vibrations des atomes de l'octaèdre pouvaient « piéger » un énoncé excité dans un exciton autopiégé, ou état excité auto-piégé, provoquant la photoluminescence à large spectre, surtout dans ces systèmes à deux dimensions et dans les systèmes où les octaèdres sont isolés les uns des autres (zéro-dimensionnel).

Cependant, les observations faites dans le laboratoire de Loi semblent contredire cette théorie, dit Simon Kahmann, chercheur postdoctoral dans son équipe. "Un de nos étudiants a étudié des monocristaux d'une pérovskite 2-D à base d'iodure de plomb et a remarqué que certains cristaux émettaient de la lumière verte et d'autres émettaient de la lumière rouge. Ce n'est pas ce à quoi on s'attendrait si la large émission rouge était une propriété intrinsèque de ce materiel."

Couleur

L'équipe de recherche a proposé que les défauts de ces pérovskites pourraient changer la couleur de la lumière émise, . Par conséquent, ils ont décidé de tester l'interprétation traditionnelle avec une expérience ad hoc. Loi dit, « Dans l'explication théorique acceptée, les excitations doivent être plus grandes que la bande interdite pour produire une large émission. » La bande interdite est la différence d'énergie entre le haut de la bande de valence et le bas de la bande de conduction.

En utilisant une lumière laser de différentes couleurs, et donc d'énergies différentes, ils étudièrent l'émission des cristaux. "Nous avons remarqué que lorsque nous utilisions des photons en dessous de l'énergie de la bande interdite, la large émission s'est toujours produite, " dit Loi. " Cela n'aurait pas dû se produire selon l'interprétation dominante. "

Leur explication est qu'un état de défaut avec un niveau d'énergie à l'intérieur de la bande interdite régit la large émission et la grande variation de couleur des cristaux. "Nous pensons que c'est un défaut chimique du cristal, probablement lié à l'iodure, qui provoque des états à l'intérieur de la bande interdite, " dit Kahmann. Ainsi, les émissions larges ne sont pas une propriété intrinsèque du matériau, mais sont causées par un effet extrinsèque. Kahmann : « À ce stade, nous ne pouvons pas totalement exclure qu'il s'agisse d'une bizarrerie des pérovskites à l'iodure de plomb, mais il s'agit probablement d'une propriété générale des pérovskites de faible dimension. explique Loï. "Si nous voulons prédire de nouveaux et meilleurs composés qui émettent largement de la lumière, nous devons comprendre l'origine de cette émission. Nous ne devrions pas être dupés par ce caméléon."

Il y a un peu plus de 10 ans, une classe de matériaux déplacés sous les projecteurs de la recherche scientifique. Ces matériaux permettent de convertir la lumière en électricité ou l'électricité en lumière :les pérovskites hybrides. Ceux-ci peuvent être utilisés dans les cellules solaires, détecteurs de lumière ou de rayons X, mais elles peuvent également être utilisées comme diodes électroluminescentes. Certaines pérovskites émettent de la lumière sur une bande de longueur d'onde étroite tandis que d'autres produisent des émissions à large bande qui pourraient être utilisées pour produire de la lumière blanche. Des scientifiques de l'Université de Groningue ont maintenant montré que la large émission dans les pérovskites d'iodure de plomb 2-D n'est pas une propriété intrinsèque du matériau. Cela signifie qu'il n'est pas très efficace. Cela signifie que les investigations optiques de cette classe de matériaux doivent être interprétées avec prudence.