L'équipe était dirigée par le professeur Loh Kian Ping, professeur titulaire de physique et de chimie des matériaux et professeur Global STEM du Département de physique appliquée, le Dr Kathy Leng, professeur adjoint du même département, ainsi que le Dr Hwa Seob Choi, chercheur postdoctoral. Chercheur et premier auteur du document de recherche.

Cette percée ouvre un nouveau domaine de pérovskites 2D entièrement organiques, prometteur à la fois pour la science fondamentale et pour des applications potentielles. Cette recherche, intitulée « Pérovskites entièrement organiques bidimensionnelles moléculairement minces », a été récemment publiée dans la revue Science. .

Les pérovskites doivent leur nom à leur ressemblance structurelle avec la pérovskite, un minéral titanate de calcium, et sont bien connues pour leurs propriétés fascinantes qui peuvent être appliquées dans des domaines variés tels que les cellules solaires, l'éclairage et la catalyse. Avec une formule chimique fondamentale de ABX₃ , les pérovskites possèdent la capacité d'être ajustées avec précision en ajustant les cations A et B ainsi que l'anion X, ouvrant la voie au développement de matériaux hautes performances.

Alors que la pérovskite a été découverte pour la première fois en tant que composé inorganique, l'équipe du professeur Loh a concentré son attention sur la classe émergente des pérovskites entièrement organiques. Dans cette nouvelle famille, les constituants A, B et X sont des molécules organiques plutôt que des atomes individuels comme les métaux ou l'oxygène.

Les principes de conception permettant de créer des pérovskites tridimensionnelles (3D) à l'aide de composants organiques n'ont été établis que récemment. De manière significative, les pérovskites entièrement organiques offrent des avantages distincts par rapport à leurs homologues entièrement inorganiques, car elles peuvent être traitées en solution et flexibles, permettant une fabrication rentable.

De plus, en manipulant la composition chimique du cristal, des propriétés électromagnétiques précieuses telles que les propriétés diélectriques, qui trouvent des applications dans l'électronique et les condensateurs, peuvent être conçues avec précision.

Traditionnellement, les chercheurs sont confrontés à des défis dans la synthèse de pérovskites 3D entièrement organiques en raison de la sélection restreinte de molécules organiques pouvant s'adapter à la structure cristalline. Conscients de cette limitation, le professeur Loh et son équipe ont proposé une approche innovante :synthétiser des pérovskites entièrement organiques sous la forme de couches 2D au lieu de cristaux 3D.

Cette stratégie visait à surmonter les contraintes imposées par les molécules volumineuses et à faciliter l’incorporation d’une gamme plus large d’ions organiques. Le résultat attendu était l'émergence de propriétés nouvelles et extraordinaires dans ces matériaux.

En validant leur prédiction, l’équipe a développé une nouvelle classe générale de pérovskites organiques en couches. Suite à la convention pour nommer les pérovskites, ils l'ont appelé la « phase Choi-Loh-v » (CL-v) en l'honneur du Dr Choi et du professeur Loh.

Ces pérovskites comprennent des couches moléculairement minces maintenues ensemble par des forces qui maintiennent les couches de graphite ensemble, appelées forces de Van der Waals, d'où le « v » dans CL-v. Par rapport aux pérovskites hybrides 2D précédemment étudiées, la phase CL-v est stabilisée par l'ajout d'un autre cation B dans la cellule unitaire et répond à la formule générale A₂ B₂ X₄ .

En utilisant la chimie en phase solution, l'équipe de recherche a préparé un matériau CL-v appelé CMD-N-P₂ , dans lequel les sites A, B et X sont occupés par le CMD (une molécule organique cyclique chlorée), l'ammonium et le PF₆ ⁻ ions, respectivement. La structure cristalline attendue a été confirmée par microscopie électronique à haute résolution réalisée à température cryogénique.

Ces pérovskites organiques 2D moléculairement fines sont fondamentalement différentes des minéraux 3D traditionnels. Elles sont monocristallines en deux dimensions et peuvent être exfoliées sous forme de flocons hexagonaux de seulement quelques nanomètres d'épaisseur, soit 20 000 fois plus fins qu'un cheveu humain.

La possibilité de traitement en solution des pérovskites organiques 2D présente des opportunités passionnantes pour leur application en électronique 2D. L'équipe Poly U a effectué des mesures sur les constantes diélectriques de la phase CL-v, donnant des valeurs allant de 4,8 à 5,5. Ces valeurs dépassent celles des matériaux couramment utilisés tels que le dioxyde de silicium et le nitrure de bore hexagonal.

Cette découverte ouvre une voie prometteuse pour l'incorporation de la phase CL-v comme couche diélectrique dans les dispositifs électroniques 2D, car ces dispositifs nécessitent souvent des couches diélectriques 2D avec des constantes diélectriques élevées, qui sont généralement rares.

Le Dr Leng, membre de l'équipe, a relevé avec succès le défi de l'intégration des pérovskites organiques 2D avec l'électronique 2D. Dans leur approche, la phase CL-v a été utilisée comme couche diélectrique de grille supérieure, tandis que le matériau du canal était constitué de sulfure de molybdène atomiquement mince.

En utilisant la phase CL-v, le transistor a obtenu un contrôle supérieur du flux de courant entre les bornes source et drain, dépassant les capacités des couches diélectriques classiques en oxyde de silicium.

Les recherches du professeur Loh établissent non seulement une toute nouvelle classe de pérovskites entièrement organiques, mais démontrent également comment elles peuvent être traitées en solution en conjonction avec une technique de fabrication avancée pour améliorer les performances des dispositifs électroniques 2D. Ces développements ouvrent de nouvelles possibilités pour la création de systèmes électroniques plus efficaces et plus polyvalents.