Des chercheurs de l'Université McGill ont acquis de nouvelles connaissances sur le fonctionnement des pérovskites, un matériau semi-conducteur très prometteur pour la fabrication à haut rendement, cellules solaires bon marché et une gamme d'autres dispositifs optiques et électroniques.

Les pérovskites ont attiré l'attention au cours de la dernière décennie en raison de leur capacité à agir comme des semi-conducteurs même en cas de défauts dans la structure cristalline du matériau. Cela rend les pérovskites spéciales, car le bon fonctionnement de la plupart des autres semi-conducteurs nécessite des techniques de fabrication rigoureuses et coûteuses pour produire des cristaux aussi exempts de défauts que possible. Dans ce qui revient à la découverte d'un nouvel état de la matière, l'équipe de McGill a fait un pas en avant pour percer le mystère de la façon dont les pérovskites réussissent ce tour.

« Historiquement, les gens ont utilisé des semi-conducteurs en vrac qui sont des cristaux parfaits. Et maintenant, Tout à coup, cet imparfait, le cristal mou commence à fonctionner pour les applications de semi-conducteurs, du photovoltaïque aux LED, " explique l'auteur principal Patanjali Kambhampati, professeur agrégé au Département de chimie de McGill. « C'est le point de départ de notre recherche :comment quelque chose qui est défectueux peut-il fonctionner de manière parfaite ? »

Points quantiques, mais pas comme nous les connaissons

Dans un article publié le 26 mai dans Examen physique de la recherche , les chercheurs révèlent qu'un phénomène connu sous le nom de confinement quantique se produit dans les cristaux de pérovskite en vrac. Jusqu'à maintenant, le confinement quantique n'avait été observé que dans des particules de quelques nanomètres de taille – les points quantiques de la renommée des téléviseurs à écran plat en étant un exemple très vanté. Lorsque les particules sont si petites, leurs dimensions physiques limitent le mouvement des électrons d'une manière qui confère aux particules des propriétés nettement différentes de celles de morceaux plus gros du même matériau, propriétés qui peuvent être affinées pour produire des effets utiles tels que l'émission de lumière dans des couleurs précises.

En utilisant une technique connue sous le nom de spectroscopie pompe/sonde à résolution d'état, les chercheurs ont montré qu'un type de confinement similaire se produit dans les cristaux de pérovskite de bromure de plomb et de césium en vrac. En d'autres termes, leurs expériences ont découvert un comportement de type point quantique se produisant dans des morceaux de pérovskite significativement plus gros que les points quantiques.

Un résultat surprenant mène à une découverte inattendue

Le travail s'appuie sur des recherches antérieures qui ont établi que les pérovskites, tout en apparaissant comme une substance solide à l'œil nu, ont certaines caractéristiques plus communément associées aux liquides. Au cœur de cette dualité liquide-solide se trouve un réseau atomique capable de se déformer en réponse à la présence d'électrons libres. Kambhampati fait une comparaison avec un trampoline absorbant l'impact d'une pierre projetée en son centre. Tout comme le trampoline finira par immobiliser le rocher, la distorsion du réseau cristallin de pérovskite - un phénomène connu sous le nom de formation de polarons - est censée avoir un effet stabilisateur sur l'électron.

Alors que l'analogie avec le trampoline suggérerait une dissipation progressive de l'énergie compatible avec un système passant d'un état excité à un état plus stable, les données de spectroscopie pompe/sonde ont en fait révélé le contraire. A la surprise des chercheurs, leurs mesures ont montré une augmentation globale de l'énergie à la suite de la formation de polarons.

"Le fait que l'énergie ait été élevée montre un nouvel effet de mécanique quantique, confinement quantique comme une boîte quantique, " Kambhampati dit, expliquant cela, à l'échelle de taille des électrons, le rocher dans le trampoline est un exciton, l'appariement lié d'un électron avec l'espace qu'il laisse derrière lui lorsqu'il est dans un état excité.

"Ce que le polaron fait, c'est tout confiner dans une zone spatialement bien définie. L'une des choses que notre groupe a pu montrer est que le polaron se mélange à un exciton pour former ce qui ressemble à un point quantique. Dans un sens, c'est comme un point quantique liquide, ce que nous appelons une goutte quantique. Nous espérons que l'exploration du comportement de ces gouttes quantiques permettra de mieux comprendre comment concevoir des matériaux optoélectroniques tolérants aux défauts. »