L’absorption de la lumière par le dioxyde de titane

Le dioxyde de titane (TiO2) est aujourd’hui l’un des matériaux les plus prometteurs en photovoltaïque et photocatalyse. Ce matériau apparaît sous différentes formes cristallines, mais la plus séduisante pour ces applications est appelée «anatase».

Malgré des décennies d’études sur la conversion de la lumière absorbée en charges électriques dans l’anatase TiO2, la nature profonde de ses propriétés électroniques et optiques fondamentales restait inconnue. Des scientifiques de l’EPFL, avec des partenaires nationaux et internationaux, viennent d’apporter un éclairage sur le problème. Ils ont utilisé une combinaison de techniques de pointe en spectroscopie en régime stationnaire et ultrarapide, ainsi qu’au moyen de calculs théoriques. Ce travail est publié dans Nature Communications.

L’anatase TiO2 intervient dans une vaste gamme d’applications, qui vont de la photovoltaïque à la photocatalyse pour des vitres auto-nettoyantes, en passant par l’assainissement de l’eau et de l’air. Toutes sont fondées sur l’absorption de la lumière et sa conversion subséquente en charges électriques. En raison de son utilisation largement répandue dans des applications variées, TiO2 a été l’un des matériaux les plus étudiés au XXe siècle, aussi bien de manière expérimentale que théorique.

Lorsque la lumière est absorbé par un matériau semi-conducteur tel que le TiO2, cela génère soit des charges libres négatives (électrons) et positives (trous), ou une paire électron-trou neutre liée, nommée exciton. Les excitons peuvent transporter tant de l’énergie que des charges à l’échelle nanoscopique, et constituer la base d’un vaste domaine de l’électronique de la prochaine génération, nommé «l’excitonique». Jusqu’à présent, personne n’avait pu identifier clairement la nature et les propriétés d’un objet physique qui absorbe la lumière, et décrire ses propriétés.

Le groupe de Majed Chergui à l’EPFL, en collaboration avec des scientifiques suisses et internationaux, a apporté un éclairage sur cette question récurrente et ancienne, en utilisant une combinaison de méthodes expérimentales de pointe: la spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES), qui cartographie l’énergétique de l’électron selon les différents axes dans un solide; l’ellipsométrie spectroscopique – qui détermine les propriétés optiques du solide avec une grande précision – et la spectroscopie ultrarapide à deux dimensions dans l’ultraviolet, utilisée pour la première fois dans l’étude de matériaux, conjointement avec des outils théoriques d’avant-garde.

Les chercheurs ont découvert que le seuil du spectre d’absorption optique est dû à un exciton fortement lié, qui présente deux propriétés nouvelles remarquables; d’abord, il est confiné à un plan bi-dimensionnel (2D) du réseau tri-dimensionnel du matériau. C’est la première fois qu’un tel objet est observé en matière condensée. Ensuite, cet exciton 2D est robuste vis-à-vis de la température et les défauts ponctuels, dans la mesure où il est présent dans n’importe quel type de matériau TiO2 – monocristal, film mince, et même nanoparticules utilisées dans des dispositifs.

Cette robustesse de l’exciton, par rapport aux défauts, implique qu’il peut stocker de l’énergie absorbée sous forme de lumière et la guider de façon sélective à l’échelle nanométrique. Cela promet une immense amélioration si l’on compare à la technologie courante, dans laquelle l’énergie de la lumière absorbée est dissipée sous forme de chaleur dans la structure cristalline, rendant les mécanismes d’excitation conventionnels extrêmement inefficaces.

Par ailleurs, l’exciton nouvellement découvert est très sensible à un éventail de stimuli externes et internes dans le matériau (température, pression, densité électronique excessive), ce qui ouvre la voie à une méthode de détection puissante, précise et bon marché pour des capteurs à lecture optique.

« Etant donné qu’il est facile et bon marché de fabriquer des matériaux d’anatase TiO2, ces découvertes sont cruciales pour un grand nombre d’applications », explique Majed Chergui. « Savoir comment les charges électriques sont générées après que la lumière ait été absorbée est un élément-clé pour la photocatalyse. »

Ce travail résulte d’une collaboration du Centre for Ultrafast Science de l’EPFL (LACUS) et de l’Institut de Physique (IPHYS), avec le Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, l’Université de Fribourg, l’Università Campus Bio-Medico Roma, l’Università Roma «Tor Vergata», et la Universidad del Pais Vasco. Il a été financé par le Fonds National Suisse (SNSF; NCCR:MUST), le European Research Council Advanced Grants «DYNAMOX» et «Qspec-Newmat», les Grupos Consolidados del Gobierno Vasco et COST Actions, EUSpec.


Légende image : Réseau cristallin de l’oxyde de titane anatase avec une représentation graphique de l’exciton 2D qui est généré par absorption de lumière (ondelette mauve). Cet exciton 2D correspond à l’excitation de plus basse énergie du matériau. Crédit: Joerg Harms

Référence
E. Baldini, L. Chiodo, A. Dominguez, M. Palummo, S. Moser, M. Yazdi-Rizi, G. Auböck, B.P.P. Mallett, H. Berger, A. Magrez, C. Bernhard, M. Grioni, A. Rubio, M. Chergui. Strongly bound excitons in anatase TiO2 single crystals and nanoparticles.Nature Communications 13 April 2017. DOI: 10.1038/s41467-017-00016-6
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