Le dioxyde de titane (TiO2) est aujourd'hui l'un des matériaux les plus prometteurs pour le photovoltaïque et la photocatalyse. Ce matériau se présente sous différentes formes cristallines, mais le plus attractif pour les applications s'appelle "anatase". Malgré des décennies d'études sur la conversion de la lumière absorbée en charges électriques dans l'anatase TiO2, la nature même de ses propriétés électroniques et optiques fondamentales était encore inconnue. scientifiques de l'EPFL, avec des partenaires nationaux et internationaux, ont maintenant fait la lumière sur le problème par une combinaison de techniques spectroscopiques de pointe en régime permanent et ultrarapide, ainsi que des calculs théoriques. L'ouvrage est publié dans Communication Nature .

Anatase TiO2 est impliqué dans un large éventail d'applications, allant du photovoltaïque et de la photocatalyse aux verres autonettoyants, et purification de l'eau et de l'air. Tous ces éléments sont basés sur l'absorption de la lumière et sa conversion ultérieure en charges électriques. Compte tenu de son utilisation répandue dans diverses applications, Le TiO2 a été l'un des matériaux les plus étudiés au XXe siècle, à la fois expérimentalement et théoriquement.

Lorsque la lumière éclaire un matériau semi-conducteur tel que le TiO2, il génère soit des charges libres négatives (électrons) et positives (trous) soit une paire neutre électron-trou liée, appelé un exciton. Les excitons sont d'un grand intérêt car ils peuvent transporter à la fois de l'énergie et des charges à l'échelle nanométrique, et forment la base de tout un domaine de l'électronique de nouvelle génération, appelé "excitonique". Le problème avec le TiO2 jusqu'à présent est que nous n'avons pas été en mesure d'identifier clairement la nature et les propriétés de l'objet physique qui absorbe la lumière et de caractériser ses propriétés.

Le groupe de Majed Chergui à l'EPFL, avec des collègues nationaux et internationaux, ont fait la lumière sur cette question de longue date en utilisant une combinaison de méthodes expérimentales de pointe :la spectroscopie de photoémission résolue en angle en régime permanent (ARPES), qui cartographie l'énergétique des électrons le long des différents axes dans le solide; ellipsométrie spectroscopique, qui détermine les propriétés optiques du solide avec une grande précision; et la spectroscopie ultra-rapide bidimensionnelle dans l'ultraviolet profond, utilisé pour la première fois dans l'étude des matériaux, ainsi que des outils théoriques de pointe sur les premiers principes.

Ils ont découvert que le seuil du spectre d'absorption optique est dû à un exciton fortement lié, qui présente deux propriétés nouvelles remarquables :il est confiné sur un plan bidimensionnel (2D) du réseau tridimensionnel du matériau. Il s'agit du premier cas de ce type jamais rapporté en matière condensée. Et deuxièmement, cet exciton 2D est stable à température ambiante et robuste aux défauts, tel qu'il est présent dans tout type de TiO2 - monocristaux, Films minces, et même des nanoparticules utilisées dans les appareils.

Cette "immunité" de l'exciton aux désordres et défauts structurels à longue distance implique qu'il peut stocker l'énergie entrante sous forme de lumière et la guider à l'échelle nanométrique de manière sélective. Cela promet une énorme amélioration par rapport à la technologie actuelle, dans lequel l'énergie lumineuse absorbée est dissipée sous forme de chaleur vers le réseau cristallin, rendant les schémas d'excitation conventionnels extrêmement inefficaces.

Par ailleurs, l'exciton nouvellement découvert est très sensible à une variété de stimuli externes et internes dans le matériau (température, pression, excès de densité électronique), ouvrant la voie à un puissant, système de détection précis et bon marché pour les capteurs à lecture optique.

"Étant donné qu'il est bon marché et facile de fabriquer des matériaux TiO2 anatase, ces découvertes sont cruciales pour de nombreuses applications et au-delà", dit Majed Chergui. "Savoir comment les charges électriques sont générées après l'absorption de la lumière est un ingrédient clé pour des photocatalyseurs efficaces."