Une équipe de recherche multi-universitaire a utilisé une nouvelle méthode spectroscopique pour obtenir un aperçu clé de la façon dont la lumière est émise par les nanomatériaux en couches et d'autres films minces.

La technique, appelée spectroscopie énergie-impulsion, permet aux chercheurs de regarder la lumière émergeant d'un film mince et de déterminer si elle provient d'émetteurs orientés dans le plan du film ou d'émetteurs orientés perpendiculairement au film. Connaître les orientations des émetteurs pourrait aider les ingénieurs à mieux utiliser les matériaux à couche mince dans les dispositifs optiques tels que les LED ou les cellules solaires.

La recherche, publié en ligne le 3 mars dans Nature Nanotechnologie , était un effort de collaboration de l'Université Brown, Université Case Western Reserve, Université de Columbia, et l'Université de Californie-Santa Barbara.

La nouvelle technique tire parti d'une propriété fondamentale des couches minces :l'interférence. Les effets d'interférence peuvent être observés dans les couleurs de l'arc-en-ciel visibles à la surface des bulles de savon ou des nappes de pétrole. Les scientifiques peuvent analyser comment la lumière interfère de manière constructive et destructive sous différents angles pour tirer des conclusions sur le film lui-même :son épaisseur, par exemple. Cette nouvelle technique va encore plus loin dans ce type d'analyse pour les films minces électroluminescents.

"La principale différence dans notre technique est que nous examinons l'énergie ainsi que l'angle et la polarisation auxquels la lumière est émise, " a déclaré Rachid Zia, professeur adjoint d'ingénierie à l'Université Brown et l'un des principaux auteurs de l'étude. « Nous pouvons relier ces différents angles à des orientations distinctes des émetteurs dans le film. À certains angles et polarisations, nous ne voyons que l'émission lumineuse des émetteurs dans le plan, tandis qu'à d'autres angles et polarisations, nous ne voyons que de la lumière provenant d'émetteurs hors du plan."

Les chercheurs ont démontré leur technique sur deux importants matériaux à couche mince, bisulfure de molybdène (MoS2) et PTCDA. Chacun représente une classe de matériaux prometteurs pour les applications optiques. Le MoS2 est un matériau bidimensionnel similaire au graphène, et PTCDA est un semi-conducteur organique. La recherche a montré que l'émission de lumière de MoS2 se produit uniquement à partir d'émetteurs dans le plan. Dans PTCDA, la lumière provient de deux espèces distinctes d'émetteurs, un dans le plan et un hors du plan.

Une fois l'orientation des émetteurs connue, Zia dit, il peut être possible de concevoir des dispositifs structurés qui maximisent ces propriétés directionnelles. Dans la plupart des applications, les matériaux à couche mince sont superposés les uns sur les autres. Les orientations des émetteurs dans chaque couche indiquent si les excitations électroniques se produisent dans chaque couche ou à travers les couches, et cela a des implications sur la façon dont un tel périphérique doit être configuré.

"Si vous fabriquiez une LED en utilisant ces matériaux en couches et que vous saviez que les excitations électroniques se produisaient à travers une interface, " Zia a dit, « alors il existe une manière spécifique de concevoir la structure pour obtenir toute cette lumière et augmenter son efficacité globale. »

Le même concept pourrait s'appliquer aux dispositifs absorbant la lumière comme les cellules solaires. En comprenant comment les excitations électroniques se produisent dans le matériau, il pourrait être possible de le structurer de manière à convertir plus de lumière entrante en électricité.

"L'un des aspects passionnants de cette recherche est la façon dont elle a réuni des personnes ayant des expertises différentes, " a déclaré Zia. " L'expertise de notre groupe à Brown consiste à développer de nouvelles formes de spectroscopie et à étudier l'origine électronique de l'émission lumineuse. Le groupe Kymissis de Columbia possède une grande expertise dans les semi-conducteurs organiques, et le groupe Shan de Case Western possède une grande expertise dans les nanomatériaux en couches. Jon Schuller, le premier auteur de l'étude, fait un excellent travail en réunissant toute cette expertise. Jon était un scientifique invité ici à Brown, stagiaire postdoctoral au Energy Frontier Research Center de Columbia, et est maintenant professeur à l'UCSB."