Les scientifiques du Center for Functional Nanomaterials (CFN) - une installation du bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) au Brookhaven National Laboratory - ont utilisé une technique d'imagerie optoélectronique pour étudier le comportement électronique de nanomatériaux atomiquement minces exposés à la lumière. Combiné avec l'imagerie optique à l'échelle nanométrique, cette technique de microscopie à photocourant à balayage fournit un outil puissant pour comprendre les processus affectant la génération de courant électrique (photocourant) dans ces matériaux. Une telle compréhension est essentielle pour améliorer les performances des cellules solaires, capteurs optiques, diodes électroluminescentes (LED), et d'autres dispositifs optoélectroniques—des dispositifs électroniques qui reposent sur des interactions lumière-matière pour convertir la lumière en signaux électriques ou vice versa.

« Quiconque souhaite savoir comment le courant électrique induit par la lumière est distribué à travers un semi-conducteur bénéficiera de cette capacité, " a déclaré Mircea Cotlet, scientifique des matériaux du CFN, co-auteur du document Advanced Functional Materials du 17 mai décrivant le travail.

Générer un courant électrique

Lorsqu'il est frappé par la lumière, les semi-conducteurs (matériaux qui ont une résistance électrique entre celle des métaux et des isolants) génèrent un courant électrique. Semi-conducteurs constitués d'une couche ou de quelques couches d'atomes, par exemple, graphène, qui a une seule couche d'atomes de carbone - sont particulièrement intéressants pour l'optoélectronique de nouvelle génération en raison de leur sensibilité à la lumière, qui peuvent modifier de manière contrôlable leur conductivité électrique et leur flexibilité mécanique. Cependant, la quantité de lumière que les semi-conducteurs atomiquement minces peuvent absorber est limitée, limitant ainsi la réponse des matériaux à la lumière.

Pour améliorer les propriétés de collecte de lumière de ces matériaux bidimensionnels (2-D), les scientifiques ajoutent de minuscules particules semi-conductrices (10 à 50 atomes de diamètre) appelées points quantiques dans la ou les couches. Les nanomatériaux « hybrides » qui en résultent non seulement absorbent plus de lumière, mais ont également des interactions se produisant à l'interface où les deux composants se rencontrent. Selon leur taille et leur composition, les points quantiques excités par la lumière transféreront soit de la charge, soit de l'énergie au matériau 2D. Il est important de savoir comment ces deux processus influencent la réponse photocourante du matériau hybride dans différentes conditions optiques et électriques, telles que l'intensité de la lumière entrante et la tension appliquée, pour concevoir des dispositifs optoélectroniques dotés de propriétés adaptées à des applications particulières.

"Les photodétecteurs détectent un niveau de lumière extrêmement faible et convertissent cette lumière en un signal électrique, " expliqua Cotlet. " En revanche, les dispositifs photovoltaïques tels que les cellules solaires sont conçus pour absorber autant de lumière que possible pour produire un courant électrique. Afin de concevoir un dispositif fonctionnant pour des applications de photodétection ou photovoltaïque, nous devons savoir lequel des deux processus (charge ou transfert d'énergie) est bénéfique."

Eclairer les processus de transfert de charge et d'énergie

Dans cette étude, les scientifiques du CFN ont combiné du disulfure de molybdène atomiquement mince avec des points quantiques. Le bisulfure de molybdène est l'un des dichalcogénures de métaux de transition, composés semi-conducteurs avec un métal de transition (dans ce cas, molybdène) prise en sandwich entre deux fines couches d'un élément chalcogène (dans ce cas, soufre). Pour contrôler les interactions interfaciales, ils ont conçu deux types de points quantiques :l'un avec une composition qui favorise le transfert de charge et l'autre avec une composition qui favorise le transfert d'énergie.

"Les deux types ont en leur cœur du séléniure de cadmium, mais l'un des noyaux est entouré d'une enveloppe de sulfure de zinc, " a expliqué l'associé de recherche du CFN et premier auteur Mingxing Li. " La coque est un espaceur physique qui empêche le transfert de charge de se produire. Les points quantiques cœur-coquille favorisent le transfert d'énergie, alors que les points quantiques du cœur uniquement favorisent le transfert de charge. »

Les scientifiques ont utilisé la salle blanche de l'installation de nanofabrication CFN pour fabriquer des dispositifs avec les nanomatériaux hybrides. Pour caractériser les performances de ces appareils, ils ont mené des études de microscopie à photocourant à balayage avec un microscope optique construit en interne à l'aide d'équipements existants et du logiciel de contrôle d'instrument open source GXSM développé par le physicien du CFN et co-auteur Percy Zahl. En microscopie photocourante à balayage, un faisceau laser est balayé à travers l'appareil tandis que le photocourant est mesuré en différents points. Tous ces points sont combinés pour produire une "carte" de courant électrique. Parce que la charge et le transfert d'énergie ont des signatures électriques distinctes, les scientifiques peuvent utiliser cette technique pour déterminer quel processus est à l'origine de la réponse photocourante observée.

Les cartes de cette étude ont révélé que la réponse au photocourant était la plus élevée à faible exposition à la lumière pour le dispositif hybride à noyau uniquement (transfert de charge) et à forte exposition à la lumière pour le dispositif hybride à noyau-coque (transfert d'énergie). Ces résultats suggèrent que le transfert de charge est extrêmement bénéfique pour le dispositif fonctionnant comme un photodétecteur, et le transfert d'énergie est préféré pour les applications photovoltaïques.

« Distinguer les transferts d'énergie et de charge uniquement par des techniques optiques, telles que la microscopie d'imagerie à durée de vie par photoluminescence, est difficile car les deux processus réduisent la durée de vie de la luminescence à des degrés similaires, " a déclaré Chang-Yong Nam, scientifique des matériaux du CFN et auteur co-correspondant. "Notre enquête démontre que les mesures optoélectroniques combinant l'excitation optique localisée et la génération de photocourants peuvent non seulement identifier clairement chaque processus, mais également suggérer des applications potentielles de dispositifs optoélectroniques adaptées à chaque cas. "

« Au CFN, nous menons des expérimentations pour étudier le fonctionnement des nanomatériaux en conditions réelles d'exploitation, " dit Cotlet. " Dans ce cas, nous avons combiné l'expertise optique du Groupe Soft and Bio Nanomaterials, l'expertise en fabrication de dispositifs et caractérisation électrique du Groupe Nanomatériaux Electroniques, et l'expertise logicielle de l'Interface Science and Catalysis Group pour développer une capacité au CFN qui permettra aux scientifiques d'étudier les processus optoélectroniques dans une variété de matériaux 2-D. La nouvelle installation de microscopie à photocourant à balayage est désormais ouverte aux utilisateurs du CFN, et nous espérons que cette capacité attirera davantage d'utilisateurs vers les installations de fabrication et de caractérisation du CFN pour étudier et améliorer les performances des dispositifs optoélectroniques."