(a) Illustration du système d'imagerie microscopique pour voir la diffusion des excitons. (b) Spectres d'absorption et de photoluminescence (PL) de 3 types de nos nanocristaux de pérovskite NC. (d-g) Résultats d'imagerie pour nos 3 types de pérovskites NC, montrant (d) la taille de la pompe qui excite les échantillons, et (e-g) les tailles de leur PL. Les tailles plus grandes des images PL impliquent que les excitons se déplacent sur de longues distances avant de se recombiner et d'émettre de la lumière. A partir de ces tailles, nous pouvons estimer les distances de déplacement des excitons. Crédit :Tze Chien Sum
Produire de l'énergie propre et réduire la consommation d'énergie de l'éclairage et des appareils personnels sont des défis clés pour réduire l'impact de la civilisation moderne sur l'environnement. Par conséquent, la demande croissante de cellules solaires et de dispositifs électroluminescents pousse les scientifiques à explorer de nouveaux matériaux semi-conducteurs et à améliorer leurs performances, tout en diminuant les coûts de production.
Nanocristaux semi-conducteurs (matériaux avec des tailles d'environ 10 nanomètres, qui est d'environ 10, 000 fois plus fins que nos cheveux) sont très prometteurs pour ces applications :ils sont peu coûteux à produire, peuvent être facilement intégrés dans ces dispositifs et possèdent des propriétés exceptionnellement améliorées lors de l'interaction avec la lumière, par rapport à leurs homologues en vrac. Ce fort couplage avec la lumière leur donne un avantage distinctif sur les semi-conducteurs conventionnels, ouvrant ainsi la voie à des appareils à haut rendement.
Malheureusement, ce bord a un coût :lorsque la taille d'un semi-conducteur est réduite, les électrons ne peuvent plus voyager librement à travers le matériau contraint par leurs dimensions physiques. Par ailleurs, leurs surfaces beaucoup plus grandes nécessitent l'utilisation de stratégies de passivation (par exemple, avec des ligands organiques) pour réduire les pièges qui pourraient affecter encore plus le transport de charge par inadvertance. Par conséquent, les applications pratiques à grande échelle des nanocristaux sont limitées, et leur potentiel perturbateur ne peut être exploité.
Dans un nouvel article publié dans Lumière :science et applications , une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur Tze Chien Sum de l'Université technologique de Nanyang (NTU), Singapour, ont découvert que les nanocristaux constitués de pérovskites aux halogénures possèdent des propriétés extraordinaires de transport d'énergie, qui remplacent le transport des charges, et pourrait ouvrir de nouveaux horizons pour la mise en œuvre de ces matériaux dans des appareils à haut rendement.
Le professeur Sum et son équipe ont déjà été pionniers dans l'étude du transport de charges dans ces matériaux. En 2013, l'équipe a signalé des propriétés de transport d'électrons sans précédent pour les pérovskites aux halogénures en vrac et cette découverte a étayé les succès des pérovskites aux halogénures au cours des années suivantes.
En masse, l'excitation par la lumière crée des charges (électron et trou), qui diffusent vers leurs électrodes respectives pour être extraites sous forme de courant électrique. Dans les nanocristaux, l'excitation par la lumière crée des excitons, qui voyagent par transfert d'énergie. Les excitons se dissocient aux électrodes et extraits sous forme de courant électrique. Crédit :Tze Chien Sum
Dans ce travail, L'équipe du professeur Sum a démontré que, de manière surprenante, l'énergie peut être transportée très efficacement dans des films constitués de nanocristaux. L'équipe a utilisé un système d'imagerie par microscopie pour « visualiser » l'énergie se déplaçant en utilisant leur forte émission de lumière comme sonde, comme le montre la figure 1.
Alors que les charges négatives et positives (électrons et trous, respectivement) ne peut à lui seul voyager à l'intérieur de ce matériau nanostructuré, ils peuvent faire équipe et former des "excitons" pour voyager ensemble, comme le montre la figure 2. La mobilité énergétique de ces matériaux dépasse celle des autres nanostructures conventionnelles, tels que les points quantiques de séléniure de cadmium (CdSe) de plus d'un ordre de grandeur. De plus, l'énergie peut même voyager plus loin dans ces matériaux par rapport à ce que les charges peuvent faire dans les pérovskites aux halogénures en vrac.
"Ce résultat est sans précédent. Lorsque vous réduisez la taille d'un matériau, cela signifie généralement que vous réduisez la distance maximale que les charges peuvent parcourir à l'intérieur. Cependant, dans les pérovskites aux halogénures, lorsque vous réduisez leur dimension à la taille quantique, ces charges parviennent à s'organiser en excitons et trouvent une autre façon de voyager. Leur portée est maintenant même pour une distance plus longue que leur portée initiale avant de réduire leurs tailles, " ont déclaré le Dr David Giovanni et le Dr Marcello Righetto, deux des principaux auteurs de l'ouvrage qui ont partagé des contributions égales.
Ici, deux mécanismes de transport d'énergie ont été identifiés :les excitons « sautent » très efficacement entre différents nanocristaux, et leur transport est assisté par une émission de lumière piégée à l'intérieur du film et donc réabsorbée. Pour la première fois, scientifique a fourni une méthode pour distinguer ces deux contributions.
Alors que le prochain défi pour implémenter directement ces propriétés extraordinaires pour les appareils réels demeure (c'est-à-dire, les excitons doivent être divisés en charges positives et négatives pour créer un courant détectable), cette découverte du transport d'énergie à longue distance et de leurs mécanismes offre de nouvelles façons d'exploiter les nanostructures dans des dispositifs.
