Une équipe de chercheurs a réussi à déformer des pérovskites entièrement inorganiques à température ambiante sans compromettre leurs propriétés fonctionnelles. Cette découverte ouvre la voie à l’utilisation de cette classe de semi-conducteurs dans la fabrication de dispositifs électroniques déformables et de systèmes énergétiques de nouvelle génération.
Les pérovskites inorganiques et leurs applications
Les pérovskites à base de halogénures de plomb inorganiques sont des matériaux semi-conducteurs de plus en plus importants dans les domaines de la conversion d’énergie et de l’optoélectronique en raison de leurs performances exceptionnelles et de leur stabilité environnementale accrue.
Contrairement aux matériaux métalliques ou aux polymères, les semi-conducteurs inorganiques sont souvent fragiles et difficiles à travailler. Cette contrainte limite fortement leurs applications dans les produits optoélectroniques qui doivent résister aux contraintes et déformations mécaniques sans perdre leur fonctionnalité, explique le professeur Chen Fu-Rong, professeur titulaire de science des matériaux à la CityU, qui a co-dirigé l’étude.
Une déformation inédite des pérovskites
L’équipe de recherche a étudié la déformabilité des pérovskites entièrement inorganiques (CsPbX3, où X peut être des ions Cl, Br ou I). Ils ont découvert que les pérovskites peuvent être considérablement déformées en différentes géométries à température ambiante tout en conservant leurs propriétés fonctionnelles, une réalisation sans précédent dans les semi-conducteurs inorganiques conventionnels.
Méthodologie et résultats
Dans leurs expériences, l’équipe a d’abord synthétisé des micropiliers monocristallins de CsPbX3 avec des diamètres et des largeurs compris entre 0,4 et 2 μm et des longueurs de 3 à 10 μm, en utilisant la méthode vapeur-liquide-solide. Ils ont ensuite réalisé des expériences de compression in situ avec un microscope électronique à balayage.
Ils ont constaté que sous compression, il y avait des glissements continus de dislocations partielles sur plusieurs systèmes de glissement dans le réseau cristallin CsPbX3. Ce mécanisme de déformation à glissements multiples «en cascade» a permis aux micropiliers de se déformer en différentes formes distinctes sans se fracturer, y compris en forme de L inversé, en forme de Z et en forme de verre à vin.
Avec l’aide d’un microscope électronique à transmission (TEM) à résolution atomique, l’équipe a révélé que les atomes dans la zone de déformation étaient bien connectés, ce qui a permis de préserver les propriétés fonctionnelles intactes.
«Nous avons également observé que les performances optoélectroniques des micropiliers n’étaient pas affectées par la déformation», a expliqué le professeur Ho. «Cela démontre le potentiel de ces matériaux pour être utilisés dans l’optoélectronique déformable.»
Origine physique du comportement inhabituel
L’équipe de recherche a effectué des analyses électroniques et structurales supplémentaires pour découvrir l’origine physique de ce comportement inhabituel. «Le secret de la capacité de déformation réside dans la faible barrière d’énergie de glissement, qui assure des glissements faciles, et les liaisons Pb-X fortes, qui maintiennent l’intégrité structurale du cristal et empêchent la fissuration ou le clivage», a déclaré le professeur Zhao Shijun, spécialiste des propriétés des matériaux computationnels.
De plus, la bande interdite, un indice énergétique influençant les propriétés électriques totales des semi-conducteurs intrinsèques, du réseau cristallin CsPbX3 est restée inchangée après déformation, indiquant que la structure électronique du matériau n’était pas affectée.
En synthèse
Les résultats de cette étude montrent que les cristaux monocristallins de CsPbX3 entièrement inorganiques peuvent être considérablement déformés et facilement transformés en différentes formes grâce à des glissements multiples dans des conditions ambiantes, sans modifier leur intégrité cristalline, leur structure de réseau ou leurs propriétés optoélectroniques. Cette réalisation représente une avancée significative vers la conception et la fabrication de dispositifs énergétiques innovants et d’électronique déformable.
Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce que les pérovskites inorganiques ?
Les pérovskites inorganiques sont une classe de matériaux semi-conducteurs à base de halogénures de plomb. Elles sont de plus en plus importantes dans les domaines de la conversion d’énergie et de l’optoélectronique en raison de leurs performances exceptionnelles et de leur stabilité environnementale accrue.
2. Quelle est la découverte majeure de cette étude ?
L’équipe de recherche a réussi à déformer des pérovskites entièrement inorganiques à température ambiante sans compromettre leurs propriétés fonctionnelles. Cela ouvre la voie à l’utilisation de ces matériaux dans la fabrication de dispositifs électroniques déformables et de systèmes énergétiques de nouvelle génération.
3. Comment les chercheurs ont-ils déformé les pérovskites ?
Les chercheurs ont synthétisé des micropiliers monocristallins de CsPbX3 et ont réalisé des expériences de compression in situ avec un microscope électronique à balayage. Ils ont découvert que les pérovskites pouvaient être considérablement déformées en différentes géométries à température ambiante tout en conservant leurs propriétés fonctionnelles.
4. Quel est le mécanisme sous-jacent à cette déformation ?
Le mécanisme de déformation repose sur des glissements continus de dislocations partielles sur plusieurs systèmes de glissement dans le réseau cristallin CsPbX3. La faible barrière d’énergie de glissement et les liaisons Pb-X fortes permettent cette déformation sans fissuration ou clivage.
5. Quelles sont les implications de cette découverte ?
Cette réalisation représente une avancée significative vers la conception et la fabrication de dispositifs énergétiques innovants et d’électronique déformable. Le mécanisme sous-jacent offre des implications importantes pour la recherche d’autres semi-conducteurs intrinsèquement ductiles.
Légende illustration principale : Une équipe de recherche codirigée par des chercheurs de l’université de Hong Kong (CityU) a réussi à morceler des pérovskites entièrement organiques à température ambiante sans compromettre leurs propriétés fonctionnelles. L’échantillon sur la photo est un photodétecteur construit avec des pérovskites mordues. Credit : City University of Hong Kong
Les résultats de cette étude ont été publiés dans la revue Nature Materials sous le titre “Multislip-enabled morphing of all-inorganic perovskites”.
[ Rédaction ]
