Des scientifiques ont mis en évidence l'origine de la brillance remarquable des pérovskites halogénées, des semi-conducteurs prometteurs pour l'optoélectronique, des cellules solaires aux lasers.
Les pérovskites halogénées sont des semi-conducteurs qui offrent non seulement un flux de photons très important, mais aussi une grande gamme de longueurs d'ondes possibles en jouant sur la composition chimique et la taille de ces nano cristaux.
Sous l'application d'un champ magnétique de 7 Tesla, le spectre d'émission d'un nanocristal (Un nanocristal (ou particule quantique, ou quantum dot, ou encore qdot) est un cristal...) individuel de FAPbBr3 (FA= Formamidinium) à 4 Kelvin présente une quatrième raie démontrant l'existence d'un état excitonique noir fondamental.
© LP2N (CNRS/Univ. Bordeaux/IOGS)
Les propriétés d'émission sont gouvernées par la formation et la recombinaison avec émission de photons d'une paire électron-trou liée nommée exciton, dont la structuration des niveaux d'
énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) fait actuellement débat. L'analyse des symétries prédit une
structure fine (La structure fine de la raie spectrale d'un atome correspond à sa séparation en plusieurs...) de ces niveaux avec un exciton de plus basse énergie à caractère non émissif. Autrement dit, dans ce singulet la paire électron-trou ne se recombine pas en émettant un
photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...). Il est surmonté de trois niveaux (triplet) à caractère émissif cette fois-ci. La parution en 2018 d'un article dans le journal
Nature a provoqué une controverse en attribuant, sur une base essentiellement théorique invoquant une brisure de
symétrie (De manière générale le terme symétrie renvoie à l'existence, dans une...) (responsable d'un effet Rashba), la brillance des nano cristaux de pérovskite à basse
température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) à une inversion de l'ordre des niveaux singulet et triplet. Les triplets "brillants" correspondant à des énergies plus basses que le singulet, ils se trouveraient naturellement davantage peuplés.
Cette hypothèse vient d'être infirmée par des physiciennes et des physiciens du Laboratoire Photonique, numérique et nanosciences (
LP2N, CNRS/Univ. Bordeaux/IOGS) et de l'
institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) FOTON (CNRS/INSA Rennes/Univ. Rennes 1), en collaboration avec des chimistes de l'ETH Zurich et EMPA en Suisse. Pour cela, ils ont révélé la structure fine complète de l'exciton, par l'analyse de la photoluminescence de nanocristaux individuels sous champ magnétique et aux températures cryogéniques. Ces résultats font l'objet d'une publication dans le journal
Nature Materials. Le rôle du champ magnétique est de créer une "contamination" par le triplet de l'exciton noir singulet, qui acquiert ainsi de la brillance. Devenu visible, on constate qu'il se situe bien sous les niveaux du triplet, avec un décalage de quelques milli électronvolts. Cet écart énergétique singulet-triplet est par ailleurs conforme au modèle théorique établi par ces physiciens, mettant en avant le rôle prépondérant de l'
interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) d'échange à longue portée de l'
électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) et du trou dans ces nanostructures.
De cette découverte s'ensuit une question essentielle: si l'état fondamental de l'exciton est noir, pourquoi ces nano cristaux restent-ils brillants à la température de l'
hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) ? Si l'on se base en effet sur la loi de Boltzmann d'occupation des niveaux excitoniques, seul l'état fondamental non émissif devrait être peuplé à cette température. Par l'analyse temporelle du déclin de la photoluminescence de ces nano cristaux en fonction de la température, les chercheurs ont trouvé que la relaxation de l'état triplet vers l'état singulet est excessivement lente, ce qui fait qu'en réalité, cet état n'est pas peuplé. C'est une conséquence de l'action mineure jouée par les phonons acoustiques (des vibrations) dans ces
matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) relativement mous. Cette relaxation s'effectue alors par un mécanisme du second ordre assisté par deux phonons optiques. Cette propriété se démarque de celle des nanostructures semi-conductrices conventionnelles et confère aux nanocristaux de pérovskites un potentiel prometteur dans les technologies de l'
optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) quantique, les cellules solaires à faible coût, les émetteurs et détecteurs de
lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...), et les lasers.
Référence
The ground exciton state of formamidinium lead bromide perovskite nanocrystals is a singlet dark.
state,
Philippe Tamarat, Maryna I. Bodnarchuk, Jean-Baptiste Trebbia, Rolf Erni, Maksym V. Kovalenko, Jacky Even et Brahim Lounis,
Nature Materials, le 13 mai 2019. DOI: 10.1038/s41563-019-0364-x.
Lire l'article sur la base d'archives ouvertes
HAL