Les ingénieurs de l'Université Rice ont découvert une technologie qui pourrait réduire le coût des sources d'électrons à semi-conducteurs, composants clés d'appareils allant des lunettes de vision nocturne et des caméras à faible luminosité aux microscopes électroniques et aux accélérateurs de particules.

Dans un article en libre accès de Nature Communications, Des chercheurs et des collaborateurs de Rice au Laboratoire national de Los Alamos (LANL) décrivent le premier processus de fabrication de sources d'électrons à partir de films minces de pérovskite aux halogénures qui convertissent efficacement la lumière en électrons libres.

Les fabricants dépensent des milliards de dollars chaque année pour des sources d'électrons à photocathode fabriquées à partir de semi-conducteurs contenant des éléments rares comme le gallium, sélénium, cadmium et tellure.

"Cela devrait être des ordres de grandeur inférieurs en coût à ce qui existe aujourd'hui sur le marché, " a déclaré l'auteur co-correspondant de l'étude Aditya Mohite, un scientifique des matériaux de riz et ingénieur chimiste. Il a déclaré que les pérovskites aux halogénures ont le potentiel de surpasser les sources d'électrons à semi-conducteurs existantes de plusieurs manières.

"D'abord, il y a la combinaison de l'efficacité quantique et de la durée de vie, " Mohite a déclaré. "Même à travers cela était une preuve de concept, et la première démonstration de pérovskites aux halogénures comme sources d'électrons, l'efficacité quantique n'était qu'environ quatre fois inférieure à celle des photocathodes à l'arséniure de gallium disponibles dans le commerce. Et nous avons découvert que les pérovskites aux halogénures avaient une durée de vie plus longue que l'arséniure de gallium."

Un autre avantage est que les photocathodes pérovskites sont réalisées par spin coating, une méthode à faible coût qui peut facilement être étendue, dit Mohite, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire et de science des matériaux et nano-ingénierie.

"Nous avons également constaté que les photocathodes pérovskites dégradées peuvent être facilement régénérées par rapport aux matériaux conventionnels qui nécessitent généralement un recuit à haute température, " il a dit.

Les chercheurs ont testé des dizaines de photocathodes de pérovskite aux halogénures, certains avec des efficacités quantiques allant jusqu'à 2,2 %. Ils ont démontré leur méthode en créant des photocathodes avec des composants inorganiques et organiques, et ont montré qu'ils pouvaient régler l'émission d'électrons sur le spectre visible et ultraviolet.

L'efficacité quantique décrit l'efficacité d'une photocathode pour convertir la lumière en électrons utilisables.

"Si chaque photon entrant génère un électron et que vous avez collecté chaque électron, vous auriez une efficacité quantique de 100%, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Fangze Liu, chercheur associé postdoctoral au LANL. « Les meilleures photocathodes à semi-conducteurs ont aujourd'hui des rendements quantiques d'environ 10 à 20 %, et ils sont tous faits de matériaux extrêmement coûteux utilisant des processus de fabrication complexes. Les métaux sont aussi parfois utilisés comme sources d'électrons, et l'efficacité quantique du cuivre est très faible, environ 0,01%, mais il est encore utilisé, et c'est une technologie pratique."

Les économies de coûts des photocathodes pérovskites aux halogénures se présenteraient sous deux formes :les matières premières pour les fabriquer sont abondantes et peu coûteuses, et le processus de fabrication est plus simple et moins coûteux que pour les semi-conducteurs traditionnels.

« Il y a un énorme besoin de quelque chose qui soit à faible coût et qui puisse être étendu, " a déclaré Mohite. " En utilisant des matériaux traités en solution, où vous pouvez littéralement peindre une grande surface, est totalement inconnu pour fabriquer le type de semi-conducteurs de haute qualité nécessaires pour les photocathodes."

Le nom « pérovskite » fait référence à la fois à un minéral spécifique découvert en Russie en 1839 et à tout composé ayant la structure cristalline de ce minéral. Les pérovskites aux halogénures sont ces derniers, et peut être fabriqué en mélangeant du plomb, étain et autres métaux avec des sels de bromure ou d'iodure.

La recherche sur les semi-conducteurs de pérovskite aux halogénures a décollé dans le monde entier après que des scientifiques du Royaume-Uni aient utilisé des cristaux en forme de feuille du matériau pour fabriquer des cellules solaires à haut rendement en 2012. D'autres laboratoires ont depuis montré que les matériaux peuvent être utilisés pour fabriquer des LED, photodétecteurs, cellules photoélectrochimiques pour le fractionnement de l'eau et d'autres dispositifs.

Mohite, un expert en pérovskites qui a travaillé comme chercheur au LANL avant de rejoindre Rice en 2018, a déclaré que l'une des raisons pour lesquelles le projet de photocathode pérovskite aux halogénures a réussi est que ses collaborateurs du groupe de recherche Applied Cathode Enhancement and Robustness Technologies du LANL sont "l'une des meilleures équipes au monde pour explorer de nouveaux matériaux et technologies pour les photocathodes".

Les photocathodes fonctionnent selon l'effet photoélectrique d'Einstein, libérant des électrons libres lorsqu'ils sont frappés par une lumière d'une fréquence particulière. La raison pour laquelle les efficacités quantiques des photocathodes sont généralement faibles est que même les moindres défauts, comme un seul atome déplacé dans le réseau cristallin, peut créer des « puits de potentiel » qui piègent les électrons libres.

« Si vous avez des défauts, tous tes électrons vont se perdre, " Mohite a déclaré. "Il faut beaucoup de contrôle. Et il a fallu beaucoup d'efforts pour trouver un processus pour faire un bon matériau de pérovskite."

Mohite et Liu ont utilisé le revêtement par centrifugation, une technique largement utilisée où le liquide est déposé sur un disque en rotation rapide et la force centrifuge répand le liquide sur la surface du disque. Dans les expériences de Mohite et Liu, le spin-coating a eu lieu sous atmosphère d'argon pour limiter les impuretés. Une fois tourné, les disques ont été chauffés et placés sous vide poussé pour convertir le liquide en cristal avec une surface propre.

"Cela a pris beaucoup d'itérations, " a déclaré Mohite. " Nous avons essayé de régler la composition du matériau et le traitement de surface de plusieurs manières pour obtenir la bonne combinaison pour une efficacité maximale. C'était le plus gros défi."

Il a déclaré que l'équipe travaillait déjà à améliorer l'efficacité quantique de ses photocathodes.

"Leur efficacité quantique est toujours inférieure à celle des semi-conducteurs de pointe, et nous avons proposé dans notre article que cela est dû à la présence de défauts de surface élevés, " a-t-il dit. " La prochaine étape consiste à fabriquer des cristaux de pérovskite de haute qualité avec des densités de défauts de surface inférieures.