Lumières et moniteurs LED, et les panneaux solaires de qualité sont nés d'une révolution dans les semi-conducteurs qui convertissent efficacement l'énergie en lumière ou vice versa. Maintenant, les matériaux semi-conducteurs de nouvelle génération se profilent à l'horizon, et dans une nouvelle étude, les chercheurs ont découvert une physique excentrique derrière leur potentiel de transformer une fois de plus la technologie d'éclairage et le photovoltaïque.

Comparer les propriétés quantiques de ces semi-conducteurs émergents dits hybrides avec celles de leurs prédécesseurs établis revient à peu près à comparer le ballet du Bolchoï à des pantins. Des troupes virevoltantes de particules quantiques ondulent à travers les matériaux émergents, créer, avec facilité, propriétés optoélectroniques (lumière-électronique) hautement souhaitables, selon une équipe de physico-chimistes dirigée par des chercheurs du Georgia Institute of Technology.

Ces mêmes propriétés sont peu pratiques à obtenir dans les semi-conducteurs établis.

Les particules se déplaçant à travers ces nouveaux matériaux engagent également le matériau lui-même dans l'action quantique, semblable à des danseurs incitant le sol à danser avec eux. Les chercheurs ont pu mesurer des motifs dans le matériau provoqués par la danse et les relier aux propriétés quantiques du matériau émergent et à l'énergie introduite dans le matériau.

Ces informations pourraient aider les ingénieurs à travailler de manière productive avec la nouvelle classe de semi-conducteurs.

Semi-conducteurs inhabituellement flexibles

La capacité du matériau émergent à abriter divers, mouvements de particules quantiques excentriques, analogue aux danseurs, est directement liée à sa flexibilité inhabituelle au niveau moléculaire, analogue au dancefloor qui se joint aux danses. Par contre, les semi-conducteurs établis ont rigide, des structures moléculaires rectilignes qui laissent la danse aux particules quantiques.

La classe de semi-conducteurs hybrides que les chercheurs ont examinée est appelée pérovskite organique-inorganique aux halogénures (HOIP), qui sera expliqué plus en détail en bas avec la désignation de semi-conducteur "hybride", qui combine un réseau cristallin - commun dans les semi-conducteurs - avec une couche de matériau flexible de manière innovante.

Au-delà de leur promesse d'éclat et d'efficacité énergétique uniques, Les HOIP sont faciles à produire et à appliquer.

Peignez-les dessus

« Un avantage indéniable est que les HOIP sont fabriqués à basse température et traités en solution, " a déclaré Carlos Silva, professeur à l'École de chimie et de biochimie de Georgia Tech. "Il faut beaucoup moins d'énergie pour les fabriquer, et vous pouvez faire de gros lots. » Silva a co-dirigé l'étude aux côtés d'Ajay Ram Srimath Kandada de Georgia Tech et de l'Istituto Italiano di Tecnologia.

Il faut des températures élevées pour fabriquer la plupart des semi-conducteurs en petites quantités, et ils sont rigides à appliquer sur des surfaces, mais les HOIP pourraient être peints pour faire des LED, lasers ou même des vitres qui pourraient briller de n'importe quelle couleur, de l'aigue-marine au fuchsia. L'éclairage avec des HOIP peut nécessiter très peu d'énergie, et les fabricants de panneaux solaires pourraient augmenter l'efficacité du photovoltaïque et réduire les coûts de production.

L'équipe dirigée par Georgia Tech comprenait des chercheurs de l'Université de Mons en Belgique et de l'Istituto Italiano di Tecnologia. Les résultats ont été publiés le 14 janvier 2019, dans la revue Matériaux naturels . Le travail a été financé par la National Science Foundation des États-Unis, UE Horizon 2020, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, le Fond Québécois pour la Recherche, et la Politique scientifique fédérale belge.

Les sauts d'obstacles quantiques

Les semi-conducteurs des dispositifs optoélectroniques peuvent soit convertir la lumière en électricité, soit l'électricité en lumière. Les chercheurs se sont concentrés sur les processus liés à ce dernier :l'émission lumineuse.

L'astuce pour qu'un matériau émette de la lumière est, d'une manière générale, appliquer de l'énergie aux électrons du matériau, de sorte qu'ils font un saut quantique depuis leurs orbites autour des atomes, puis émettent cette énergie sous forme de lumière lorsqu'ils redescendent vers les orbites qu'ils avaient quittées. Les semi-conducteurs établis peuvent piéger les électrons dans des zones du matériau qui limitent strictement la plage de mouvement des électrons, puis appliquer de l'énergie à ces zones pour que les électrons fassent des sauts quantiques à l'unisson pour émettre une lumière utile lorsqu'ils redescendent à l'unisson.

"Ce sont des puits quantiques, des parties bidimensionnelles du matériau qui confinent ces propriétés quantiques pour créer ces propriétés particulières d'émission de lumière, " dit Silva.

Excitation de particules imaginaires

Il existe une manière potentiellement plus attrayante de produire la lumière, et c'est un point fort des nouveaux semi-conducteurs hybrides.

Un électron a une charge négative, et une orbite qu'elle quitte après avoir été excitée par l'énergie est une charge positive appelée trou d'électron. L'électron et le trou peuvent tourner l'un autour de l'autre formant une sorte de particule imaginaire, ou quasiparticule, appelé un exciton.

"L'attraction positive-négative dans un exciton est appelée énergie de liaison, et c'est un phénomène de très haute énergie, ce qui le rend idéal pour émettre de la lumière, " dit Silva.

Quand l'électron et le trou se réunissent, qui libère l'énergie de liaison pour faire de la lumière. Mais habituellement, les excitons sont très difficiles à maintenir dans un semi-conducteur.

"Les propriétés excitoniques des semi-conducteurs conventionnels ne sont stables qu'à des températures extrêmement froides, " a déclaré Silva. "Mais dans les HOIP, les propriétés excitoniques sont très stables à température ambiante."

Tourbillonnant de quasi-particules ornées

Les excitons se libèrent de leurs atomes et se déplacent dans le matériau. En outre, les excitons dans un HOIP peuvent tourbillonner autour d'autres excitons, formant des quasiparticules appelées biexcitons. Et il y a plus.

Les excitons tournent également autour des atomes dans le réseau matériel. De la même manière qu'un électron et un trou d'électron créent un exciton, ce tourbillon de l'exciton autour d'un noyau atomique donne lieu à une autre quasiparticule appelée polaron. Toute cette action peut entraîner une transition des excitons vers les polarons. On peut même parler de certains excitons prenant une nuance « polaronique ».

Le fait que les HOIP soient remplis d'ions chargés positivement et négativement s'ajoute à toutes ces dynamiques. L'ornementation de ces danses quantiques a un effet global sur le matériau lui-même.

Les motifs de vagues résonnent

La participation peu commune des atomes de la matière à ces danses avec les électrons, excitons, les biexcitons et les polarons créent des indentations répétitives à l'échelle nanométrique dans le matériau qui sont observables sous forme de modèles d'ondes et qui se déplacent et fluctuent avec la quantité d'énergie ajoutée au matériau.

« Dans un état fondamental, ces modèles de vagues auraient une certaine apparence, mais avec plus d'énergie, les excitons font les choses différemment. Cela change les modèles de vagues, et c'est ce que nous mesurons, " a déclaré Silva. " L'observation clé dans l'étude est que le modèle d'onde varie avec différents types d'excitons (exciton, biexciton, polaronique/moins polaronique)."

Les indentations saisissent également les excitons, ralentir leur mobilité à travers le matériau, et toutes ces dynamiques ornées peuvent affecter la qualité de l'émission lumineuse.

Sandwich élastique

Le matériel, une pérovskite organique-inorganique aux halogénures, est un sandwich de deux couches de réseau cristallin inorganique avec un matériau organique entre elles - faisant des HOIP un matériau hybride organique-inorganique. L'action quantique se produit dans les réseaux cristallins.

La couche organique entre les deux est comme une feuille d'élastiques qui transforme les réseaux de cristal en une piste de danse bancale mais stable. Aussi, Les HOIP sont constitués de nombreuses liaisons non covalentes, rendre le matériau souple.

Les unités individuelles du cristal prennent une forme appelée pérovskite, qui est une forme de diamant très uniforme, avec un métal au centre et des halogènes comme le chlore ou l'iode aux pointes, donc "halogénure". Pour cette étude, les chercheurs ont utilisé un prototype 2-D avec la formule (PEA)2PbI4.