La compréhension des interactions entre la lumière et les matériaux semiconducteurs se retrouve fortement dans les technologies électroniques modernes. Une récente étude menée par une collaboration internationale de chercheurs apporte un éclairage inédit sur le comportement des excitons dans les semiconducteurs organiques, ouvrant l’accès à des matériaux plus performants pour des applications telles que les panneaux solaires et les écrans OLED.
Les semiconducteurs organiques, constitués principalement de molécules de carbone comme le buckminster-fullerène, sont au cœur de dispositifs électroniques tels que les écrans OLED. Ces matériaux présentent des particularités quantiques fascinantes, notamment lorsqu’ils sont exposés à la lumière. Des électrons sont excités et forment des paires avec des trous chargés positivement, créant des excitons. La compréhension fine de ces excitons est cruciale pour optimiser les performances des semiconducteurs organiques.
Une équipe de recherche internationale, impliquant les universités de Göttingen, Graz, Kaiserslautern-Landau et Grenoble-Alpes, a réussi à obtenir des images extrêmement précises de ces excitons, avec une résolution temporelle de l’ordre du femtoseconde (10-15 seconde) et spatiale du nanomètre (10-9 mètre). Ces résultats, publiés dans la revue Nature Communications, devraient permettre une meilleure compréhension dans les propriétés quantiques des semiconducteurs organiques.
Une technique inédite pour sonder les propriétés quantiques
La nouvelle méthode, baptisée tomographie par photoémission des excitons, permet d’observer et de mesurer la fonction d’onde quantique des excitons. Cette fonction d’onde décrit l’état de l’exciton et détermine la probabilité de sa présence dans le matériau. Wiebke Bennecke, physicienne à l’Université de Göttingen et première auteure de l’étude, souligne que cette technique révèle comment les forces attractives au sein des excitons modifient leur distribution d’énergie et de vitesse.
Le fondement théorique de cette technique a été développé par une équipe dirigée par le Professeur Peter Puschnig de l’Université de Graz. La tomographie par photoémission des excitons permet de répondre à des questions fondamentales sur la répartition des excitons, comme leur localisation sur une ou plusieurs molécules, ce qui a un impact direct sur l’efficacité des semiconducteurs dans des applications comme les cellules solaires.
Des implications prometteuses pour l’efficacité énergétique
Les chercheurs envisagent d’utiliser cette méthode pour étudier le comportement des excitons et leur influence sur la dynamique des molécules dans les matériaux. Selon le Professeur Stefan Mathias de l’Université de Göttingen, ces recherches pourraient améliorer notre compréhension des processus de conversion d’énergie dans les semiconducteurs organiques et contribuer au développement de matériaux plus efficaces pour les cellules solaires.
La découverte que les excitons peuvent se répartir sur plusieurs molécules avant de se contracter rapidement sur une seule offre des perspectives pour la conception de semiconducteurs organiques aux propriétés optimisées. Cette avancée scientifique constitue un jalon important pour l’industrie électronique et pour les technologies vertes, où l’efficacité et la durabilité sont des enjeux majeurs.
Légende illustration : Illustration montrant la lumière excitant des électrons dans deux molécules du semi-conducteur organique connu sous le nom de buckminster-fullerène. L’exciton nouvellement formé (représenté par le point lumineux) est d’abord réparti sur deux molécules avant de se fixer sur l’une d’entre elles (à droite sur l’image). Crédit : Andreas Windischbacher.
Article : « Disentangling the multiorbital contributions of excitons by photoemission exciton tomography » – DOI: 10.1038/s41467-024-45973-x
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