Une nouvelle approche visant à développer des matériaux semi-conducteurs à petite échelle pourrait contribuer à stimuler les applications reposant sur la conversion de la lumière en énergie. Une équipe de recherche dirigée par Los Alamos a incorporé des dopants magnétiques dans des points quantiques colloïdaux spécialement conçus (des cristaux semi-conducteurs de taille nanométrique) et a pu obtenir des effets susceptibles d'alimenter la technologie des cellules solaires, les photodétecteurs et les applications qui dépendent de la lumière pour provoquer des réactions chimiques. /P>
"Dans les points quantiques comprenant un noyau de séléniure de plomb et une coque de séléniure de cadmium, les ions manganèse agissent comme de minuscules aimants dont les spins magnétiques interagissent fortement avec le noyau et la coque du point quantique", a déclaré Victor Klimov, chef de l'association Los Alamos. équipe de nanotechnologie et chercheur principal du projet. "Au cours de ces interactions, l'énergie peut être transférée vers et depuis l'ion manganèse en inversant son spin, un processus communément appelé échange de spin."
Dans la multiplication des porteurs d'échange de spin, un seul photon absorbé génère non pas une mais deux paires électron-trou, également appelées excitons, qui se produisent à la suite de la relaxation par retournement de spin d'un ion manganèse excité.
En raison du taux extrêmement rapide d’interactions d’échange de spin, les points quantiques dopés magnétiquement présentent un rendement de multiplication de porteurs multiplié par trois par rapport aux points quantiques non dopés de structure similaire. Il est important de noter que l'amélioration est particulièrement importante dans la gamme d'énergies photoniques dans le spectre solaire, ce qui conduit aux applications possibles de la technologie de photoconversion.
Normalement, un photon absorbé par un semi-conducteur génère un électron dans la bande de conduction et une lacune dans la bande de valence appelée « trou ». Ce processus est à la base du fonctionnement des photodiodes, des capteurs d'image et des cellules solaires dans lesquels les porteurs de charge générés sont extraits sous forme de photocourant. Les électrons et les trous photogénérés peuvent également être utiles en chimie où ils peuvent faciliter les réactions dites redox qui impliquent le transfert d'électrons d'une entité à une autre.
Tous les types de schémas de photoconversion bénéficieraient de la multiplication des porteurs, un processus déclenché par un photon à haute énergie générant un porteur « chaud » doté d’une grande énergie cinétique. Cette énergie se dissipe ensuite lors d'une collision avec un électron de la bande de valence en l'excitant vers la bande de conduction. En conséquence, une nouvelle paire électron-trou est ajoutée à la paire originale créée par le photon absorbé.
En raison des pertes d'énergie concurrentes dues aux interactions avec les vibrations du réseau (généralement appelées phonons), la multiplication des porteurs est inefficace dans les solides en vrac. Cependant, comme les chercheurs de Los Alamos l’ont démontré pour la première fois en 2004, cet effet était renforcé dans les points quantiques colloïdaux synthétisés chimiquement. La très petite taille des points quantiques colloïdaux augmente la fréquence des collisions électron-électron et facilite ainsi la multiplication des porteurs.
Cependant, même dans les points quantiques, l’efficacité de la multiplication des porteurs n’est pas suffisamment élevée pour avoir un effet appréciable sur les performances des schémas pratiques de photoconversion. Comme dans le cas des cristaux massifs, la principale limitation réside dans les pertes d'énergie dues à l'émission rapide de phonons conduisant à un chauffage « non productif » d'un réseau cristallin.
Les dopants au manganèse aident à résoudre les problèmes d’émission rapide de phonons. S'appuyant sur des recherches antérieures démontrant les échelles de temps inférieures à la picoseconde des interactions d'échange de spin, qui sont plus rapides que l'émission de phonons, les chercheurs ont réalisé que l'utilisation de ces interactions augmenterait l'efficacité de la multiplication des porteurs.
"Pour mettre en œuvre la multiplication des porteurs d'échange de spin, il faut des points quantiques correctement conçus", a déclaré Clément Livache, chercheur postdoctoral et expert en spectroscopie au sein de l'équipe de nanotechnologie. "La bande interdite de ces points doit être inférieure à la moitié de l'énergie de la transition spin-flip du manganèse et, en outre, la structure de spin des points quantiques doit correspondre à celle de l'ion manganèse excité."
"Les conditions énergétiques peuvent être satisfaites avec des points quantiques dopés au manganèse contenant un noyau de séléniure de plomb et une coque de séléniure de cadmium", a déclaré Hin Jo, chimiste principal du projet. "Dans ces structures, la multiplication des porteurs se produit via deux étapes d'échange de spin. Premièrement, l'énergie de la paire électron-trou, générée par un photon absorbé dans la coquille de séléniure de cadmium, est transférée à l'ion manganèse. Ensuite, l'ion manganèse subit une relaxation spin-flip pour revenir à l'état non excité en créant deux excitons dans le noyau de séléniure de plomb."
La multiplication des porteurs d'échange de spin peut être particulièrement utile dans les réactions multi-électrons/trous qui nécessitent plusieurs événements de réduction et d'oxydation. L’un des goulots d’étranglement dans ce cas est le temps d’attente entre les étapes séquentielles de réduction et d’oxydation. La multiplication des porteurs élimine ce goulot d'étranglement en produisant des paires de porteurs de charge (deux électrons et deux trous) co-localisés dans les domaines temporels et spatiaux.
La recherche est publiée dans la revue Nature Materials .
Plus d'informations : Ho Jin et al, Multiplication de porteurs d'échange de spin dans des points quantiques colloïdaux dopés au manganèse, Nature Materials (2023). DOI :10.1038/s41563-023-01598-x
Fourni par le Laboratoire national de Los Alamos
