Certains nouveaux matériaux qui semblent trop beaux pour être vrais s'avèrent être vrais et bons. Une classe émergente de semi-conducteurs, qui pourrait éclairer à moindre coût notre avenir avec des couleurs nuancées émanant des lasers, les lampes, et même des vitres, pourrait être le dernier exemple.

Ces matières sont très rayonnantes, facile à traiter à partir de la solution, et économe en énergie. La question lancinante de savoir si les pérovskites hybrides organiques-inorganiques (HOIP) pourraient vraiment fonctionner vient de recevoir une réponse très affirmative dans une nouvelle étude internationale menée par des physiciens-chimistes du Georgia Institute of Technology.

Les chercheurs ont observé dans un HOIP une « richesse » de la physique des semi-conducteurs créée par ce que l'on pourrait décrire comme des électrons dansant sur des bases chimiques qui vacillent comme le sol d'un funhouse lors d'un tremblement de terre. Cela va à l'encontre de la sagesse conventionnelle, car les semi-conducteurs établis reposent sur des bases chimiques rigidement stables, c'est-à-dire, des cadres moléculaires plus silencieux, pour produire les propriétés quantiques souhaitées.

"Nous ne savons pas encore comment cela fonctionne pour avoir ces propriétés quantiques stables dans ce mouvement moléculaire intense, " a déclaré le premier auteur Félix Thouin, assistant de recherche diplômé à Georgia Tech. "Cela défie les modèles physiques que nous devons essayer de l'expliquer. C'est comme si nous avions besoin d'une nouvelle physique."

Les propriétés quantiques surprennent

Leurs pêle-mêle giratoires ont rendu les HOIP difficiles à examiner, mais l'équipe de chercheurs d'un total de cinq instituts de recherche dans quatre pays a réussi à mesurer un HOIP prototype et a trouvé ses propriétés quantiques à égalité avec celles établies, semi-conducteurs moléculairement rigides, dont beaucoup sont à base de graphène.

"Les propriétés étaient au moins aussi bonnes que dans ces matériaux et peut-être même meilleures, " a déclaré Carlos Silva, professeur à l'École de chimie et de biochimie de Georgia Tech. Tous les semi-conducteurs n'absorbent pas et n'émettent pas non plus bien la lumière, mais les HOIP le font, les rendant optoélectroniques et donc potentiellement utiles dans les lasers, LED, autres applications d'éclairage, et aussi dans le photovoltaïque.

Le manque de rigidité au niveau moléculaire dans les HOIP joue également dans le fait qu'ils sont produits et appliqués de manière plus flexible.

Silva a co-dirigé l'étude avec le physicien Ajay Ram Srimath Kandada. Leur équipe a publié les résultats de leur étude sur les HOIP bidimensionnels le 8 mars 2018, dans la revue Documents d'examen physique . Leurs recherches ont été financées par EU Horizon 2020, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, le Fond Québécois pour la Recherche, le Conseil de recherches du Canada, et la National Research Foundation de Singapour.

La 'solution solution'

Communément, les propriétés semi-conductrices proviennent de réseaux cristallins statiques d'atomes parfaitement interconnectés. En silicium, par exemple, qui est utilisé dans la plupart des cellules solaires commerciales, ce sont des atomes de silicium interconnectés. Le même principe s'applique aux semi-conducteurs de type graphène.

"Ces treillis sont structurellement peu complexes, " dit Silva. " Ils ne sont minces qu'un atome, et ils ont des propriétés bidimensionnelles strictes, donc ils sont beaucoup plus rigides."

"Vous limitez avec force ces systèmes à deux dimensions, " dit Srimath Kandada, qui est Marie Curie International Fellow à Georgia Tech et à l'Institut italien de technologie. "Les atomes sont disposés en infiniment expansif, feuilles plates, et puis ces propriétés optoélectroniques très intéressantes et souhaitables émergent."

Ces matériaux éprouvés impressionnent. Donc, pourquoi poursuivre des HOIP, sauf pour explorer leur physique déconcertante ? Parce qu'ils peuvent être plus pratiques à bien des égards.

"L'un des avantages convaincants est qu'ils sont tous fabriqués à l'aide d'un traitement à basse température à partir de solutions, " Silva a déclaré. "Il faut beaucoup moins d'énergie pour les faire."

Par contre, Les matériaux à base de graphène sont produits à des températures élevées en petites quantités qui peuvent être fastidieuses à travailler. "Avec ce truc (HOIP), vous pouvez faire de gros lots en solution et enduire toute une fenêtre si vous le souhaitez, " dit Silva.

Funhouse dans un tremblement de terre

Pour toutes les oscillations d'un HOIP, c'est aussi un treillis très ordonné avec sa propre rigidité, bien que moins limitatif que dans les matériaux bidimensionnels habituels.

"Ce n'est pas qu'une seule couche, " a déclaré Srimath Kandada. " Il existe une géométrie très spécifique de type pérovskite. " La pérovskite fait référence à la forme d'un réseau cristallin HOIP, qui est un échafaudage en couches.

"Le treillis s'auto-assemble, " Srimath Kandada a dit, "et il le fait dans un empilement tridimensionnel composé de couches de feuilles bidimensionnelles. Mais les HOIP préservent toujours ces propriétés quantiques 2D souhaitables."

Ces feuilles sont maintenues ensemble par des couches intercalées d'une autre structure moléculaire qui ressemble un peu à une feuille d'élastiques. Cela fait bouger l'échafaudage comme un sol de maison de jeux.

"À température ambiante, les molécules s'agitent partout. Qui perturbe le treillis, c'est là que vivent les électrons. C'est vraiment intense, " dit Silva. " Mais étonnamment, les propriétés quantiques sont encore vraiment stables."

Faire fonctionner les propriétés quantiques à température ambiante sans nécessiter d'ultra-refroidissement est important pour une utilisation pratique en tant que semi-conducteur.

Pour en revenir à ce que signifie HOIP - les pérovskites hybrides organiques-inorganiques - voici comment le matériau expérimental s'insère dans la classe chimique HOIP :c'était un hybride de couches inorganiques d'iodure de plomb (la partie rigide) séparées par des couches organiques (le caoutchouc parties en forme de bande) de phényléthylammonium (formule chimique (PEA)2PbI4).

Le plomb de ce matériau prototype pourrait être remplacé par un métal plus sûr à manipuler pour les humains avant le développement d'un matériau applicable.

Chorégraphie électronique

Les HOIP sont d'excellents semi-conducteurs car leurs électrons font une danse carrée acrobatique.

D'habitude, les électrons vivent en orbite autour du noyau d'un atome ou sont partagés par des atomes dans une liaison chimique. Mais les réseaux chimiques HOIP, comme tous les semi-conducteurs, sont configurés pour partager des électrons plus largement.

Les niveaux d'énergie dans un système peuvent libérer les électrons pour qu'ils se déplacent et participent à des choses comme le flux d'électricité et de chaleur. Les orbites, qui sont alors vides, sont appelés trous d'électrons, et ils veulent récupérer les électrons.

"Le trou est considéré comme une charge positive, et bien sûr, l'électron a une charge négative, " dit Silva. " Alors, le trou et l'électron s'attirent."

Les électrons et les trous courent les uns autour des autres comme des partenaires de danse s'associant à ce que les physiciens appellent un « exciton ». Les excitons agissent et ressemblent beaucoup aux particules elles-mêmes, bien qu'ils ne soient pas vraiment des particules.

Lumière biexciton sautillante

Dans les semi-conducteurs, des millions d'excitons sont corrélés, ou chorégraphié, avec l'un l'autre, ce qui donne des propriétés désirables, lorsqu'une source d'énergie comme l'électricité ou la lumière laser est appliquée. En outre, les excitons peuvent s'apparier pour former des biexcitons, augmenter les propriétés énergétiques du semi-conducteur.

« Dans ce matériau, nous avons constaté que les énergies de liaison des biexcitons étaient élevées, " a déclaré Silva. "C'est pourquoi nous voulons mettre cela dans des lasers, car l'énergie que vous fournissez se termine à 80 ou 90 pour cent sous forme de biexcitons."

Les biexcitons se soulèvent énergiquement pour absorber l'énergie d'entrée. Ensuite, ils se contractent énergiquement et émettent de la lumière. Cela fonctionnerait non seulement dans les lasers, mais aussi dans les LED ou d'autres surfaces utilisant le matériau optoélectronique.

"Vous pouvez ajuster la chimie (des HOIP) pour contrôler la largeur entre les états de biexciton, et qui contrôle la longueur d'onde de la lumière émise, " dit Silva. " Et l'ajustement peut être très fin pour vous donner n'importe quelle longueur d'onde de lumière. "

Cela se traduit par n'importe quelle couleur de lumière que le cœur désire.