Des chercheurs du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE), en collaboration avec des collègues de la Penn State University, ont découvert une dynamique surprenante dans le comportement des électrons excités dans un matériau pérovskite prototypique. Grâce à la microscopie électronique ultrarapide, l’équipe a pu capturer les changements structurels à l’échelle nanométrique qui se produisent quelques picosecondes après l’excitation, révélant que les électrons chauds peuvent réorganiser les atomes de manière transitoire. Ces informations, rapportées dans Nature Communications, pourraient avoir des implications pour la conception et l'optimisation de matériaux et de dispositifs optoélectroniques de nouvelle génération, tels que les cellules solaires, les capteurs et les diodes électroluminescentes (DEL).

Les pérovskites, une classe de matériaux qui adoptent une structure cristalline spécifique, sont récemment apparues comme des candidats prometteurs pour diverses applications optoélectroniques en raison de leurs excellentes propriétés d'absorption de la lumière et de leur coût relativement faible. Cependant, il manque encore une compréhension fondamentale de la façon dont ces matériaux réagissent à l’excitation lumineuse, ce qui empêche de nouvelles améliorations et applications pratiques.

Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé un microscope électronique ultrarapide de pointe, installé au Centre des nanomatériaux fonctionnels (CFN) du Brookhaven Lab, pour capturer les changements structurels dans les nanocristaux individuels de pérovskite de bromure de césium et de plomb (CsPbBr3) lors d'une excitation lumineuse ultrarapide. La conception unique du microscope du CFN a permis à l'équipe d'enregistrer des images haute résolution à une résolution temporelle de quelques picosecondes seulement.

Les résultats ont révélé que quelques picosecondes après que les nanocristaux ont absorbé la lumière, leur réseau cristallin – normalement déformé en raison de la disposition des atomes à l’intérieur – a subi une transformation, devenant plus symétrique. Ce redressement inattendu du réseau a été attribué au mouvement d’électrons hautement énergétiques ou « chauds », qui se sont redistribués de manière transitoire dans les nanocristaux.

L'auteur principal Ming-Chang Chen, scientifique du Brookhaven Lab, a donné un aperçu des résultats expérimentaux :"Nous avons constaté que le réarrangement du réseau est étroitement lié à la dynamique de relaxation des électrons chauds, qui sont les principaux vecteurs d'énergie dans les dispositifs photovoltaïques et optoélectroniques. En contrôlant ces processus ultrarapides, nous pourrions améliorer l’efficacité de ces appareils. »

Le redressement du réseau observé pourrait avoir des implications importantes pour la compréhension des propriétés et des performances des pérovskites liées à la lumière. Par exemple, dans les cellules solaires, les changements transitoires du réseau pourraient affecter le mouvement et la séparation des porteurs de charge, influençant ainsi la capacité de la cellule à convertir la lumière en électricité.

"Nos découvertes ouvrent de nouvelles voies pour explorer et contrôler les propriétés des pérovskites à l'échelle nanométrique", a ajouté l'auteur correspondant James M. Kikkawa, physicien au département de physique de la matière condensée et de science des matériaux du Brookhaven Lab. "En manipulant ces processus ultrarapides, nous pouvons potentiellement améliorer l'efficacité et les performances des dispositifs à base de pérovskite pour une gamme d'applications."

L’équipe de recherche prévoit d’étudier plus en détail ces dynamiques ultrarapides dans différents matériaux pérovskites et d’explorer des stratégies potentielles pour les manipuler et les exploiter pour des applications pratiques.