Mise en lumière de l'exciton noir dans les nano cristaux de pérovskite
Publié par Adrien le 26/06/2019 à 08:00
Source: CNRS INP
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 (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens...) de photons très important, mais aussi une grande gamme de longueurs d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) 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 semi-conducteur d'un diamètre de quelques nanomètres. A cause de sa petite taille, il se comporte comme un puits de potentiel qui confine les électrons dans...) individuel de FAPbBr3 (FA= Formamidinium) à 4 Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule (« kelvin » et non « 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 (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) 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 chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) fait actuellement débat (Un débat est une discussion (constructive) sur un sujet, précis ou de fond, annoncé à l'avance, à laquelle prennent part des individus ayant des avis, idées, réflexions ou opinions divergentes pour le sujet considéré. ...). L'analyse des symétries prédit une structure fine 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 électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...). 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 (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 étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...) 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 (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et...) et nanosciences (LP2N, CNRS/Univ. Bordeaux/IOGS) et de l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) 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 (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique et aux températures cryogéniques. Ces résultats font l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise,...) 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'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) d'échange à longue portée de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des...) et du trou dans ces nanostructures.

De cette découverte s'ensuit une question essentielle: si l'état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus basse énergie. Tout état d'énergie supérieure à celle des états fondamentaux est un état excité.) 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 ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) ? 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 (La Lente est une rivière de la Toscane.), ce qui fait qu'en réalité, cet état n'est pas peuplé. C'est une conséquence de l'action mineure jouée (Épaisseur d’une muraille dans la partie où une baie, une ouverture de porte, de fenêtre a été pratiquée.) 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 faire des objets.) 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 électromagnétique et de ses relations avec la vision.) 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 humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...), 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.

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