Des chercheurs de l'ETH Zurich, de l'Empa et de Stanford ont pris des instantanés de la structure cristalline des nanocristaux de pérovskite déformés par des électrons excités. À leur grande surprise, la déformation a redressé la structure cristalline asymétrique plutôt que de la rendre plus désordonnée.
De nombreux problèmes scientifiques et techniques pourraient être résolus facilement s’il était possible de regarder à l’intérieur d’un matériau et d’observer ses atomes et ses électrons s’agiter en temps réel. Dans le cas des pérovskites halogénures, une classe de minéraux devenue très populaire ces dernières années pour leur utilisation dans des technologies allant des cellules solaires aux technologies quantiques, les physiciens tentent depuis longtemps de comprendre leurs excellentes propriétés optiques.
Une équipe de chercheurs dirigée par Nuri Yazdani et Vanessa Wood de l'ETH Zurich et Aaron Lindenberg de Stanford, ainsi que des collègues de l'Empa à Dübendorf, ont fait des progrès significatifs dans notre compréhension des pérovskites en étudiant le mouvement des atomes à l'intérieur des nanocristaux avec un temps résolution de quelques milliardièmes de seconde. Ils ont récemment publié leurs résultats dans Nature Physics. .
"Les pérovskites aux halogénures sont idéales pour de nombreuses applications optoélectroniques", explique Yazdani. "Mais il est à certains égards surprenant de voir comment cette classe de matériaux peut présenter des propriétés optiques et électroniques aussi exceptionnelles." Les pérovskites sont des minéraux qui ont le même type de structure cristalline que le titanate de calcium (CaTiO3 ), la pérovskite "originale".
Les chercheurs savaient que lorsque les pérovskites absorbent la lumière, les électrons excités à des énergies plus élevées se couplent fortement aux phonons à l’intérieur du matériau. Les phonons sont des vibrations collectives, semblables aux ondes sonores, des atomes d'un cristal. "Souvent, on peut considérer la position moyenne de chaque atome à l'intérieur d'un cristal comme fixe, mais cela n'est plus possible lorsqu'une excitation optique d'un électron entraîne une réorganisation importante du réseau cristallin", explique Yazdani. La question à laquelle les chercheurs devaient répondre était donc :comment les électrons excités dans les pérovskites modifient-ils la forme du réseau cristallin ?
Regard à l'intérieur des nanocristaux
Pour jeter un coup d'œil à l'intérieur d'une pérovskite (bromure de plomb de formamidinium) synthétisée à l'Empa par Maryna Bodnarchuk et le professeur de l'ETH Maksym Kovalenko, les chercheurs ont utilisé une ligne de lumière à diffraction électronique ultrarapide du Laboratoire national des accélérateurs de Stanford (SLAC) qui produit de très courtes impulsions d'électrons d'une durée seulement une centaine de femtosecondes, ou des millionièmes de millionième de seconde. Ces électrons frappent ensuite les nanocristaux de pérovskite, d'une taille d'environ 10 nanomètres, et les électrons diffractés sont collectés sur un écran.
Puisque les électrons sont des particules quantiques qui se comportent comme des ondes, après avoir été diffractées par les atomes à l’intérieur du matériau, les ondes électroniques interfèrent de manière constructive ou destructrice, selon la position des atomes et la direction de diffraction, un peu comme la lumière émergeant d’une double fente. Même de minuscules changements dans la structure cristalline peuvent être mesurés de cette manière.
Les chercheurs de l'ETH ont utilisé une fonctionnalité particulière de la ligne de lumière SLAC pour prendre des instantanés de la structure cristalline pendant et après l'absorption d'un photon :en utilisant le même laser pour créer les photons et déclencher l'impulsion électronique, ils ont pu contrôler le temps d'arrivée du photon aux nanocristaux par rapport à celui des électrons en modifiant la distance que les photons devaient parcourir. À partir de l'analyse de ces instantanés sur plusieurs centaines de picosecondes (milliardièmes de seconde), il a été possible de voir comment la déformation du réseau cristallin provoquée par les électrons photo-excités évoluait au fil du temps.
Les résultats ont surpris les chercheurs. Ils s’attendaient à une déformation du réseau cristallin qui aurait dû conduire à une réduction de sa symétrie. Au lieu de cela, ils ont observé un changement vers une symétrie accrue :les électrons excités avaient légèrement redressé la structure cristalline asymétrique de la pérovskite.
À partir de calculs sur modèle, ils ont pu déduire que plusieurs excitons – des paires liées d’électrons excités et des trous chargés positivement laissés par leur excitation – pouvaient coopérer pour redresser le réseau. Puisque cela réduit leur énergie totale, les excitons étaient effectivement attirés les uns vers les autres.
"Comprendre l'origine du couplage électron-phonon facilitera la production de pérovskites dotées de propriétés optiques particulières, adaptées à des applications spécifiques", explique Yazdani. Par exemple, les nanocristaux de pérovskite destinés à être utilisés dans les écrans de télévision de nouvelle génération peuvent être recouverts d’une coque d’un autre matériau afin de réduire le couplage électron-phonon et donc de réduire la largeur de raie spectrale de la lumière émise. Cela a déjà été démontré en 2022 par plusieurs des co-auteurs de l'ouvrage Nature Physics. papier.
De plus, étant donné que l’interaction attractive entre les excitons est similaire au mécanisme qui permet au courant électrique de circuler sans perte dans les supraconducteurs, cette attraction pourrait être exploitée pour améliorer le transport des électrons. Cela pourrait, à son tour, être utile pour fabriquer des cellules solaires à base de pérovskites.
Plus d'informations : Nuri Yazdani et al, Le couplage aux inclinaisons octaédriques dans les nanocristaux de pérovskite aux halogénures induit des interactions attractives médiées par les phonons entre les excitons, Nature Physics (2023). DOI :10.1038/s41567-023-02253-7
Informations sur le journal : Physique de la nature
Fourni par l'ETH Zurich
