Un cristal bidimensionnel de bisulfure de molybdène (MoS2) et de diséléniure de tungstène (WSe2) (gauche :vue de dessus, à droite :vue de côté). La lumière peut produire des excitons intercalaires dans ces cristaux, qui sont des états excités fascinants, composé d'une particule de charge positive et d'une particule de charge négative. Les contours colorés dans l'image de droite représentent la probabilité des emplacements des particules. Crédit :Jens Kunstmann
Lorsque la lumière d'une fréquence spécifique frappe un cristal semi-conducteur, il est absorbé et produit une excitation, un état d'énergie supérieure. Dans les cellules solaires, cette énergie est convertie en électricité. Dans des cristaux bidimensionnels, qui ne sont constitués que de quelques couches atomiques, les "excitons" sont les protagonistes de ces processus. Ces excitations sont constituées d'une particule de charge positive et d'une particule de charge négative. Encore, les cristaux bidimensionnels hébergent une multiplicité d'excitons, ce qui rend difficile la distinction des types d'excitons dans des situations spécifiques. Chercheurs de la TU Dresde, en collaboration avec une équipe internationale, ont maintenant identifié la nature des excitons intercouches dans les cristaux bidimensionnels. Leurs conclusions ont été publiées dans la revue Physique de la nature .
Les cristaux bidimensionnels sont une sorte de "sandwich" constitué de couches simples de bisulfure de molybdène et de diséléniure de tungstène. Chaque couche a une épaisseur de seulement trois atomes. Dans le laboratoire, les couches sont empilées une à une. "Ce qui rend les excitons intercalaires si spéciaux, ce sont les deux particules chargées qui sont séparées dans l'espace. On a supposé que la positive se trouvait dans le diséléniure de tungstène et la négative dans le bisulfure de molybdène, " explique le Dr Jens Kunstmann de la chaire de chimie théorique de l'université technique de Dresde. " Nous avons maintenant pu montrer que des particules de charge positive peuvent être trouvées dans les deux couches, et de là, les excitons intercalaires sont liés les uns aux autres d'une manière beaucoup plus forte qu'on ne le croyait auparavant."
Des groupes théoriques et expérimentaux ont collaboré au cours de cette collaboration mondiale. Le groupe de Dresde a contribué aux calculs théoriques et aux analyses en coopération avec le professeur Andrey Chaves de l'Universidade Federal do Ceará à Fortaleza, Brésil, et le professeur David R. Reichman de l'Université Columbia à New York. Les expériences ont été menées par le groupe du professeur Tobias Korn de l'Universität Regensburg. Parmi eux, Fabian Mooshammer et Philipp Nagler, qui ont contribué à cette recherche dans le cadre de leurs thèses de maîtrise et de doctorat.
"Nous sommes encore au début, nous ne savons toujours pas avec certitude à quoi ressemblent les excitons intercouches dans d'autres cristaux bidimensionnels, " dit le Dr Kunstmann. " Mais nous sommes quand même fascinés par ces excitons. La séparation spatiale des charges pourrait permettre la condensation des excitons vers un état quantique macroscopique, ainsi que la construction de cellules solaires à haut rendement."
