Les feuilles ultrafines d'une nouvelle pérovskite hybride 2D sont de forme carrée et de surface relativement grande, propriétés qui devraient faciliter leur intégration dans les futurs appareils électroniques. Crédit :Peidong Yang, Laboratoire de Berkeley
À la liste croissante des semi-conducteurs bidimensionnels, comme le graphène, Nitrure de bore, et le bisulfure de molybdène, dont les propriétés électroniques uniques en font des successeurs potentiels du silicium dans les futurs appareils, vous pouvez maintenant ajouter des pérovskites hybrides organiques-inorganiques. Cependant, contrairement aux autres prétendants, qui sont des semi-conducteurs covalents, ces pérovskites hybrides 2D sont des matériaux ioniques, ce qui leur confère des propriétés particulières.
Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) ont réussi à faire croître des feuilles 2D atomiquement minces de pérovskites hybrides organiques-inorganiques à partir d'une solution. Les feuilles ultrafines sont de haute qualité, grande superficie, et de forme carrée. Ils ont également présenté une photoluminescence efficace, accordage des couleurs, et une relaxation structurelle unique que l'on ne trouve pas dans les feuilles semi-conductrices covalentes.
"Nous pensons qu'il s'agit du premier exemple de nanostructures atomiquement minces 2D fabriquées à partir de matériaux ioniques, " dit Peidong Yang, chimiste à la division Sciences des matériaux du Berkeley Lab et autorité mondiale sur les nanostructures, qui a eu l'idée de cette recherche il y a une vingtaine d'années. "Les résultats de notre étude ouvrent des opportunités pour la recherche fondamentale sur la synthèse et la caractérisation de pérovskites hybrides 2D atomiquement minces et introduisent une nouvelle famille de semi-conducteurs traités en solution 2D pour les dispositifs optoélectroniques à l'échelle nanométrique, comme les transistors à effet de champ et les photodétecteurs."
Illustration structurale d'une seule couche d'une pérovskite hybride 2D (C4H9NH3)2PbBr4), un matériau ionique avec des propriétés différentes de celles des semi-conducteurs covalents 2D.
Yang, qui détient également des postes à l'Université de Californie (UC) Berkeley et est co-directeur du Kavli Energy NanoScience Institute (Kavli-ENSI), est l'auteur correspondant d'un article décrivant cette recherche dans la revue Science . L'article s'intitule « Pérovskites hybrides organiques-inorganiques à deux dimensions atomiquement minces ». Les auteurs principaux sont Letian Dou, Andrew Wong et Yi Yu, tous les membres du groupe de recherche de Yang. Les autres auteurs sont Minliang Lai, Nikolaï Kornienko, Samuel Eaton, Anthony Fu, Connor Bischak, Jie Ma, Tina Ding, Naomi Ginsberg, Lin-Wang Wang et Paul Alivisatos.
Les pérovskites traditionnelles sont généralement des matériaux d'oxyde métallique qui présentent un large éventail de propriétés électromagnétiques fascinantes, dont la ferroélectricité et la piézoélectricité, supraconductivité et magnétorésistance colossale. Au cours des deux dernières années, Des pérovskites hybrides organiques-inorganiques ont été transformées en solution en films minces ou en cristaux massifs pour des dispositifs photovoltaïques qui ont atteint une efficacité de conversion de puissance de 20 %. Séparer ces matériaux hybrides en individuels, feuilles 2D autoportantes grâce à des techniques telles que le revêtement par centrifugation, dépôt chimique en phase vapeur, et l'exfoliation mécanique a rencontré un succès limité.
En 1994, alors qu'il était étudiant au doctorat à l'Université Harvard, Yang a proposé une méthode pour préparer des nanostructures de pérovskite hybrides 2D et régler leurs propriétés électroniques, mais n'a jamais agi sur celle-ci. Cette dernière année, en se préparant à déménager son bureau, il est tombé sur la proposition et l'a transmise au co-auteur principal Dou, un post-doctorant dans son groupe de recherche. Dou, travaillant principalement avec les autres auteurs principaux Wong et Yu, utilisé la proposition de Yang pour synthétiser des feuilles 2D autonomes de CH3NH3PbI3, une pérovskite hybride réalisée à partir d'un mélange de plomb, brome, azote, atomes de carbone et d'hydrogène.
"Contrairement aux méthodes d'exfoliation et de dépôt chimique en phase vapeur, qui produisent normalement des plaques de pérovskite relativement épaisses, nous avons pu faire croître des cristaux 2D de forme carrée uniforme sur un substrat plat avec un rendement élevé et une excellente reproductibilité, " dit Dou. "Nous avons caractérisé la structure et la composition des cristaux 2D individuels à l'aide de diverses techniques et avons découvert qu'ils ont une émission de bande légèrement décalée qui pourrait être attribuée à la relaxation structurelle. Une étude préliminaire de photoluminescence indique une émission en bord de bande à 453 nanomètres, qui est légèrement décalé vers le rouge par rapport aux cristaux en vrac. Cela suggère que le réglage des couleurs pourrait être obtenu dans ces pérovskites hybrides 2D en modifiant l'épaisseur de la feuille ainsi que la composition via la synthèse de matériaux connexes. »
La géométrie bien définie de ces cristaux 2D de forme carrée est la marque d'une cristallinité de haute qualité, et leur grande taille devrait faciliter leur intégration dans les futurs appareils.
"Avec notre technique, des hétérostructures verticales et latérales peuvent également être réalisées, ", dit Yang. "Cela ouvre de nouvelles possibilités pour la conception de matériaux/dispositifs à l'échelle atomique/moléculaire avec de nouvelles propriétés distinctives."
