Un contributeur clé à la façon dont ces pérovskites aux halogénures créent et transportent l'électricité dépend littéralement de la façon dont leur réseau atomique octaédrique se tord et tourne à la manière d'une charnière. Crédit :ORNL/Jill Hemman
Des chercheurs de l'Université Duke ont révélé une dynamique moléculaire longtemps cachée qui fournit des propriétés souhaitables pour les applications de l'énergie solaire et de l'énergie thermique à une classe passionnante de matériaux appelés pérovskites aux halogénures.
Un contributeur clé à la façon dont ces matériaux créent et transportent l'électricité dépend littéralement de la façon dont leur réseau atomique se tord et tourne à la manière d'une charnière. Les résultats aideront les scientifiques des matériaux dans leur quête pour adapter les recettes chimiques de ces matériaux pour un large éventail d'applications d'une manière respectueuse de l'environnement.
Les résultats paraissent en ligne le 15 mars dans la revue Matériaux naturels .
« Il existe un large intérêt pour les pérovskites aux halogénures pour des applications énergétiques comme le photovoltaïque, thermoélectrique, détection et émission de rayonnement optoélectronique - tout le champ est incroyablement actif, " a déclaré Olivier Delaire, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux à Duke. "Bien que nous comprenions que la douceur de ces matériaux est importante pour leurs propriétés électroniques, personne ne savait vraiment comment les mouvements atomiques que nous avons découverts sous-tendent ces caractéristiques."
Les pérovskites sont une classe de matériaux qui, avec la bonne combinaison d'éléments, sont transformés en une structure cristalline qui les rend particulièrement bien adaptés aux applications énergétiques. Leur capacité à absorber la lumière et à transférer efficacement son énergie en fait une cible commune pour les chercheurs développant de nouveaux types de cellules solaires, par exemple. Ils sont aussi doux, un peu comme la façon dont l'or massif peut être facilement cabossé, ce qui leur donne la capacité de tolérer les défauts et d'éviter les fissures lorsqu'ils sont transformés en un film mince.
Taille unique, cependant, ne convient pas à tous, car il existe un large éventail de recettes potentielles pouvant former une pérovskite. La plupart des recettes les plus simples et les plus étudiées incluent un halogène, comme le chlore, le fluor ou le brome, leur donnant le nom de pérovskites aux halogénures. Dans la structure cristalline des pérovskites, ces halogénures sont les joints qui attachent ensemble des motifs cristallins octaédriques adjacents.
Alors que les chercheurs savent que ces points pivots sont essentiels à la création des propriétés d'une pérovskite, personne n'a pu regarder la façon dont ils permettent aux structures qui les entourent de se tordre dynamiquement, tourner et plier sans casser, comme un moule Jell-O que l'on secoue vigoureusement.
"Ces mouvements structuraux sont notoirement difficiles à cerner expérimentalement. La technique de choix est la diffusion de neutrons, qui s'accompagne d'un immense effort d'analyse des instruments et des données, et très peu de groupes maîtrisent la technique qu'Olivier et ses collègues font, " dit Volker Blum, professeur de génie mécanique et de science des matériaux à Duke qui fait de la modélisation théorique des pérovskites, mais n'a pas participé à cette étude. "Cela signifie qu'ils sont en mesure de révéler les fondements des propriétés des matériaux dans les pérovskites de base qui sont autrement inaccessibles."
Dans l'étude, Delaire et ses collègues du Laboratoire National d'Argonne, Laboratoire national d'Oak Ridge, l'Institut national des normes et de la technologie, et l'Université du Nord-Ouest, révèlent une dynamique moléculaire importante de la structure simple, la pérovskite aux halogénures couramment recherchée (CsPbBr
Les chercheurs ont commencé avec un grand centimétrique, monocristal de la pérovskite aux halogénures, qui est notoirement difficile à atteindre de telles tailles - une des principales raisons pour lesquelles ce type d'étude dynamique n'a pas été réalisé jusqu'à présent. Ils ont ensuite bombardé le cristal de neutrons au Laboratoire national d'Oak Ridge et de rayons X au Laboratoire national d'Argonne. En mesurant comment les neutrons et les rayons X rebondissent sur les cristaux sous de nombreux angles et à différents intervalles de temps, les chercheurs ont découvert comment ses atomes constitutifs se déplaçaient au fil du temps.
Après avoir confirmé leur interprétation des mesures par des simulations informatiques, les chercheurs ont découvert à quel point le réseau cristallin est réellement actif. Des motifs octaédriques à huit côtés attachés les uns aux autres par des atomes de brome ont été capturés en train de se tordre collectivement dans des domaines en forme de plaque et de se plier constamment d'avant en arrière d'une manière très fluide.
"En raison de la façon dont les atomes sont disposés avec des motifs octaédriques partageant des atomes de brome en tant que joints, ils sont libres d'avoir ces rotations et ces virages, " a déclaré Delaire. "Mais nous avons découvert que ces pérovskites aux halogénures en particulier sont beaucoup plus « disquettes » que certaines autres recettes. Plutôt que de reprendre immédiatement forme, ils reviennent très lentement, presque plus comme Jell-O ou un liquide qu'un cristal solide conventionnel."
Delaire a expliqué que cette danse moléculaire libre d'esprit est importante pour comprendre bon nombre des propriétés souhaitables des pérovskites aux halogénures. Leur « instabilité » empêche les électrons de se recombiner dans les trous d'où les photons entrants les ont assommés, ce qui les aide à produire beaucoup d'électricité à partir du soleil. Et cela rend probablement aussi difficile le voyage de l'énergie thermique à travers la structure cristalline, ce qui leur permet de créer de l'électricité à partir de la chaleur en ayant un côté du matériau beaucoup plus chaud que l'autre.
Parce que la pérovskite utilisée dans l'étude—CsPbBr
"Cette étude montre pourquoi ce cadre pérovskite est spécial même dans les cas les plus simples, " a déclaré Delaire. " Ces découvertes s'étendent très probablement à des recettes beaucoup plus compliquées, que de nombreux scientifiques du monde entier étudient actuellement. En passant au crible d'énormes bases de données informatiques, la dynamique que nous avons découverte pourrait aider à décider quelles pérovskites poursuivre. »
