La maîtrise des pérovskites : un tournant décisif pour les LED, les cellules solaires et les lasers

Dans une étude récente, des chercheurs ont mis au point une technique innovante pour contrôler l’agencement de multiples couches inorganiques et organiques dans des cristaux.

Cette avancée permet de maîtriser les niveaux d’énergie des électrons et des trous (porteurs de charge positive) au sein d’une classe de matériaux appelés pérovskites, influençant ainsi leurs propriétés optoélectroniques et leur capacité à émettre de la lumière à des énergies spécifiques.

Une collaboration fructueuse entre équipes expérimentales et théoriques

Publiée dans la revue Nature Chemistry, cette recherche est le fruit d’une étroite collaboration entre plusieurs équipes expérimentales et théoriques de l’Université Duke et de l’Université Purdue. Les équipes expérimentales synthétisent les matériaux et caractérisent leurs propriétés, tandis que l’équipe théorique effectue des simulations informatiques pour prédire la structure électronique et les propriétés des matériaux.

« Nous avons investi près de 20 ans pour être en mesure de réaliser ce type de calculs dans des systèmes plus grands », a déclaré Volker Blum, professeur associé de génie mécanique et science des matériaux à Duke. « Cette étude a impliqué la simulation de structures comprenant jusqu’à environ 900 atomes avec une méthodologie avancée, ce qui nécessite des supercalculateurs puissants capables de gérer certaines des plus grandes calculs sur la planète. »

Les pérovskites : des matériaux aux propriétés uniques

Les matériaux pérovskites sont une classe de composés qui ont suscité un intérêt considérable dans le domaine des sciences des matériaux en raison de leurs propriétés uniques, notamment dans le domaine des semi-conducteurs.

Ces matériaux, définis par leur structure cristalline spécifique, peuvent être utilisés dans des applications telles que les diodes électroluminescentes (LED), les cellules solaires et les lasers.

Contrôle précis de la structure des pérovskites

L’article se concentre sur l’amélioration du contrôle structural des matériaux pérovskites multicouches avec incorporation de semi-conducteurs organiques. Selon les résultats, les composants organiques ajoutés aux couches inorganiques affectent les propriétés des semi-conducteurs, tels que les niveaux d’énergie et l’émission de lumière. En contrôlant soigneusement l’agencement des atomes et le nombre de couches dans ces structures, les chercheurs peuvent ajuster les propriétés optiques et électroniques du matériau résultant.

Leur recherche aborde également les défis liés à la synthèse de ces matériaux, notamment la nécessité de mélanger différents composants qui ne se dissolvent pas facilement dans le même solvant.

« C’est comme prendre du sel et de l’huile d’olive et essayer de les mélanger dans de l’eau », explique Blum. « L’un se dissout et l’autre ne le fait pas. Nos collaborateurs ont réussi à trouver un moyen de mettre les deux en solution et de les sécher en cristaux ordonnés, et nous avons pu modéliser ces cristaux pour aider à expliquer leur fonctionnement. »

En synthèse

Les chercheurs de l’Université Duke et de l’Université Purdue ont réussi à contrôler l’agencement des couches inorganiques et organiques dans des matériaux pérovskites, permettant ainsi de maîtriser les propriétés optoélectroniques de ces matériaux. Cette avancée ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine des semi-conducteurs, notamment les LED, les cellules solaires et les lasers.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un matériau pérovskite ?

Un matériau pérovskite est un composé défini par sa structure cristalline spécifique. Il présente des propriétés uniques, notamment dans le domaine des semi-conducteurs, et peut être utilisé dans des applications telles que les LED, les cellules solaires et les lasers.

Quelle est l’innovation apportée par cette recherche ?

Les chercheurs ont mis au point une technique permettant de contrôler l’agencement des couches inorganiques et organiques dans des matériaux pérovskites, ce qui permet de maîtriser les propriétés optoélectroniques de ces matériaux.

Quels sont les défis liés à la synthèse de ces matériaux ?

La synthèse de ces matériaux présente des défis tels que la nécessité de mélanger différents composants qui ne se dissolvent pas facilement dans le même solvant.

Quelles sont les applications potentielles de cette découverte ?

Cette découverte pourrait ouvrir la voie à de nouvelles applications dans le domaine des semi-conducteurs, notamment les LED, les cellules solaires et les lasers.

Légende illustration principale : Graphique généré par ordinateur de la structure atomique de la nouvelle classe de pérovskites. Crédit : Volker Blum, Duke University

“Thickness control of organic semiconductor-incorporated perovskites.” Jee Yung Park, Ruyi Song, Jie Liang, Linrui Jin, Kang Wang, Shunran Li, Enzheng Shi, Yao Gao, Matthias Zeller, Simon J. Teat, Peijun Guo, Libai Huang, Yong Sheng Zhao, Volker Blum & Letian Dou. Nature Chemistry, August 31, 2023. DOI: 10.1038/s41557-023-01311-0