La première couche est une anode semi-transparente, comme ITO, qui injecte des "trous non polarisés, " une caractéristique quantique des électrons, avec une certaine tournure. La deuxième couche est la pérovskite hybride chirale bidimensionnelle qui est un filtre de spin actif, ne laissant passer que les trous avec un spin spécifique, en fonction de l'hélicité des molécules chirales. La troisième couche est le film émetteur, composé d'une pérovskite inorganique non chirale telle que CsPbBr3. Les quatrième et cinquième couches sont la cathode qui injecte des électrons de spin up et de spin down. Seuls les électrons de spin down se recombinent avec les trous injectés de spin up pour produire une lumière polarisée circulairement avec une hélicité qui dépend de l'hélicité des molécules chirales dans la couche organique-inorganique bidimensionnelle. Crédit :Adapté de :Kim, Y.H. et. Al., Sciences (2021)
Les diodes électroluminescentes (LED) ont révolutionné l'industrie des écrans. Les LED utilisent le courant électrique pour produire de la lumière visible sans l'excès de chaleur que l'on trouve dans les ampoules traditionnelles, une lueur appelée électroluminescence. Cette percée a conduit à l'éclatant, l'expérience de visionnage haute définition que nous attendons de nos écrans. Maintenant, un groupe de physiciens et de chimistes a développé un nouveau type de LED qui utilise la spintronique sans avoir besoin d'un champ magnétique, matériaux magnétiques ou températures cryogéniques; un « saut quantique » qui pourrait faire passer les écrans au niveau supérieur.
"Les entreprises qui fabriquent des LED ou des écrans de télévision et d'ordinateur ne veulent pas faire face aux champs magnétiques et aux matériaux magnétiques. C'est lourd et coûteux de le faire, " dit Valy Vardeny, éminent professeur de physique et d'astronomie à l'Université de l'Utah. "Ici, les molécules chirales sont auto-assemblées en réseaux permanents, comme des soldats, qui spin activement polarisent les électrons injectés, qui conduisent ensuite à une émission de lumière polarisée circulairement. Sans champ magnétique, ferromagnétiques coûteux et sans besoin de températures extrêmement basses. Ce sont des non-non pour l'industrie."
La plupart des appareils opto-électroniques, comme les LED, ne contrôlent que la charge et la lumière et non le spin des électrons. Les électrons possèdent de minuscules champs magnétiques qui, comme la Terre, ont des pôles magnétiques sur les côtés opposés. Son spin peut être considéré comme l'orientation des pôles et peut se voir attribuer des informations binaires - un spin "vers le haut" est un '1, ' un 'bas' est un '0.' En revanche, l'électronique conventionnelle ne transmet des informations que par des rafales d'électrons le long d'un fil conducteur pour transmettre des messages en « 1 » et « 0 ». Appareils spintroniques, cependant, pourrait utiliser les deux méthodes, promettant de traiter exponentiellement plus d'informations que l'électronique traditionnelle.
Un obstacle à la spintronique commerciale est le réglage du spin des électrons. Présentement, il faut produire un champ magnétique pour orienter la direction du spin des électrons. Des chercheurs de l'Université de l'Utah et du National Renewable Energy Laboratory (NREL) ont mis au point une technologie qui agit comme un filtre de spin actif composé de deux couches de matériau appelées pérovskites aux halogénures métalliques bidimensionnelles chirales. La première couche bloque les électrons ayant un spin dans le mauvais sens, une couche que les auteurs appellent un filtre de spin induit chiral. Ensuite, lorsque les électrons restants traversent la deuxième couche de pérovskite électroluminescente, ils amènent la couche à produire des photons qui se déplacent à l'unisson le long d'un chemin en spirale, plutôt qu'un modèle de vague conventionnel, pour produire une électroluminescence polarisée circulaire.
L'étude a été publiée dans la revue Science le 12 mars, 2021.
Un schéma de la lumière polarisée circulairement. Des photons qui se déplacent à l'unisson le long d'un chemin en spirale, plutôt qu'un modèle de vague conventionnel, produire une lumière polarisée circulaire. La couche de pérovskite électroluminescente du dispositif spin-LED produit une lumière polarisée à gauche ou à droite, en fonction du spin des électrons qui ont franchi le filtre pérovskite. Crédit:Dave3457 via Wikicommons
Gaucher, molécules droites
Les scientifiques ont exploité une propriété appelée chiralité qui décrit un type particulier de géométrie. Les mains humaines sont un exemple classique; les mains droite et gauche sont disposées en miroir l'une de l'autre, mais ils ne s'aligneront jamais parfaitement, peu importe l'orientation. Certains composés, comme l'ADN, pérovskites de sucre et d'halogénures chiraux, ont leurs atomes disposés selon une symétrie chirale. Un système chiral orienté "gaucher" peut permettre le transport d'électrons avec des spins "up" mais bloquer les électrons avec des spins "down", et vice versa.
"Si vous essayez de transporter des électrons à travers ces composés, alors le spin de l'électron s'aligne avec la chiralité du matériau, " a déclaré Vardeny. D'autres filtres de spin existent, mais ils nécessitent soit une sorte de champ magnétique, ou ils ne peuvent manipuler les électrons que dans une petite zone. "La beauté du matériau pérovskite que nous avons utilisé est qu'il est bidimensionnel - vous pouvez préparer de nombreux plans de 1 cm 2 zone qui contient un million d'un milliard (10 15 ) des molécules debout avec la même chiralité."
Les semi-conducteurs de pérovskite aux halogénures métalliques sont principalement utilisés pour les cellules solaires de nos jours, car ils sont très efficaces pour convertir la lumière du soleil en électricité. Étant donné qu'une cellule solaire est l'une des applications les plus exigeantes de tout semi-conducteur, les scientifiques découvrent également que d'autres utilisations existent, y compris les LED de rotation.
"Nous explorons les propriétés fondamentales des pérovskites aux halogénures métalliques, qui nous a permis de découvrir de nouvelles applications au-delà du photovoltaïque, " dit Joseph Luther, co-auteur du nouvel article et scientifique du NREL. "Parce que les pérovskites aux halogénures métalliques, et d'autres hybrides organiques aux halogénures métalliques apparentés, sont parmi les semi-conducteurs les plus fascinants, ils présentent une foule de nouveaux phénomènes qui peuvent être utilisés pour transformer l'énergie.
Bien que les pérovskites aux halogénures métalliques soient les premières à prouver que les dispositifs hybrides chiraux sont réalisables, ils ne sont pas les seuls candidats aux spin-LED. La formule générale pour le filtre de spin actif est une couche d'un organique, matériau chiral, une autre couche d'un halogénure de métal inorganique, comme l'iode de plomb, une autre couche organique, couche inorganique et ainsi de suite.
"C'est magnifique. J'aimerais que quelqu'un propose un autre matériau de couche organique/inorganique 2D qui puisse faire la même chose. À ce stade, c'est très général. Je suis sûr qu'avec le temps, quelqu'un trouvera un matériau chiral bidimensionnel différent qui sera encore plus efficace, " dit Vardeny.
Le concept prouve que l'utilisation de ces systèmes hybrides chiraux bidimensionnels permet de contrôler le spin sans aimants et a « de larges implications pour des applications telles que l'informatique optique quantique, bioencodage et tomographie, " selon Matthieu Beard, chercheur principal et directeur du Center for Hybrid Organic Inorganic Semiconductors for Energy.
