Une équipe composée de chercheurs suisses et américains a réussi à capturer des images de la structure cristalline des nanocristaux de pérovskite lorsqu’elle est déformée par des électrons excités. Contre toute attente, la déformation a rectifié la structure cristalline déviée plutôt que de la rendre plus désordonnée.
Les pérovskites halogénées sont des minéraux qui ont suscité un grand intérêt ces dernières années pour leur utilisation dans des technologies allant des cellules solaires aux technologies quantiques. Les physiciens ont longtemps cherché à comprendre leurs excellentes propriétés optiques.
Une équipe de chercheurs dirigée par Nuri Yazdani et Vanessa Wood de l’ETH Zurich, et Aaron Lindenberg de Stanford, en collaboration avec des collègues d’Empa à Dübendorf, a fait un pas significatif vers la compréhension des pérovskites en étudiant le mouvement des atomes à l’intérieur des nanocristaux avec une résolution temporelle de quelques milliardièmes de seconde.
Observer l’intérieur des nanocristaux
Pour observer l’intérieur d’une pérovskite (bromure de plomb formamidinium) synthétisée à Empa par Maryna Bodnarchuk et le professeur de l’ETH Maksym Kovalenko, les chercheurs ont utilisé une installation de faisceau de diffraction d’électrons ultra-rapides au Stanford National Accelerator Laboratory (SLAC) qui produit de très courtes impulsions d’électrons ne durant que cent femtosecondes, soit des millionièmes de millionième de seconde.
Ces électrons ont ensuite frappé les nanocristaux de pérovskite, d’environ 10 nanomètres de taille, et les électrons diffractés ont été collectés sur un écran. Même de minuscules changements dans la structure cristalline peuvent être mesurés de cette manière.
Une augmentation surprenante de la symétrie
Les résultats ont surpris les chercheurs. Ils s’attendaient à voir une déformation de la structure cristalline qui aurait dû entraîner une réduction de sa symétrie. Au lieu de cela, ils ont observé un déplacement vers une symétrie accrue – les électrons excités avaient légèrement redressé la structure cristalline déviée de la pérovskite.
À partir de calculs de modèles, ils ont pu déduire que plusieurs excitons – des paires liées d’électrons excités et de trous chargés positivement laissés par leur excitation – pourraient coopérer pour redresser la structure. Cela abaisse leur énergie totale, les excitons étaient donc effectivement attirés les uns vers les autres.
Adapter les propriétés optiques des pérovskites
« Comprendre l’origine de l’accouplement électron-phonon facilitera la production de pérovskites aux propriétés optiques spécifiques, adaptées à des applications spécifiques », précise Nuri Yazdani. Par exemple, les nanocristaux de pérovskite destinés à être utilisés dans les écrans de télévision de nouvelle génération peuvent être recouverts d’une coquille d’un autre matériau afin de réduire l’accouplement électron-phonon et donc de réduire la largeur spectrale de la lumière émise.
Cela a déjà été démontré en 2022 par plusieurs des co-auteurs de l’article de Nature Physics. De plus, l’interaction attractive entre les excitons est similaire au mécanisme qui permet au courant électrique de circuler sans perte dans les supraconducteurs, cette attraction pourrait être exploitée pour améliorer le transport des électrons. Cela pourrait à son tour être utile pour la fabrication de cellules solaires à base de pérovskites.
En synthèse
Les chercheurs de l’ETH Zurich, d’Empa et de Stanford ont réussi à capturer des images de la structure cristalline des nanocristaux de pérovskite lorsqu’elle est déformée par des électrons excités. Les résultats ont montré une augmentation surprenante de la symétrie de la structure cristalline. Ces découvertes pourraient faciliter la production de pérovskites aux propriétés optiques spécifiques, ouvrant la voie à de nouvelles applications dans diverses technologies, notamment les cellules solaires et les écrans de télévision de nouvelle génération.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la pérovskite ?
La pérovskite est une classe de minéraux qui a gagné en popularité ces dernières années pour leur utilisation dans diverses technologies, allant des cellules solaires aux technologies quantiques.
Quelle est la particularité des pérovskites halogénées ?
Les pérovskites halogénées sont connues pour leurs excellentes propriétés optiques, ce qui les rend idéales pour de nombreuses applications opto-électroniques.
Comment les chercheurs ont-ils étudié les pérovskites ?
Les chercheurs ont utilisé une installation de faisceau de diffraction d’électrons ultra-rapides pour observer le mouvement des atomes à l’intérieur des nanocristaux de pérovskite avec une résolution temporelle de quelques milliardièmes de seconde.
Qu’ont découvert les chercheurs ?
Les chercheurs ont découvert que la déformation de la structure cristalline des nanocristaux de pérovskite par des électrons excités entraîne une augmentation de la symétrie de la structure, contrairement à ce qu’ils attendaient.
Quelles sont les implications de cette découverte ?
Cette découverte pourrait faciliter la production de pérovskites aux propriétés optiques spécifiques, ouvrant la voie à de nouvelles applications dans diverses technologies, notamment les cellules solaires et les écrans de télévision de nouvelle génération.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| Les pérovskites sont des minéraux utilisés dans diverses technologies, notamment les cellules solaires et les technologies quantiques. |
| Les chercheurs ont utilisé une installation de faisceau de diffraction d’électrons ultra-rapides pour étudier les pérovskites. |
| La déformation de la structure cristalline des nanocristaux de pérovskite par des électrons excités entraîne une augmentation de la symétrie. |
| Cette découverte pourrait faciliter la production de pérovskites aux propriétés optiques spécifiques. |
| Les pérovskites pourraient être utilisées dans les écrans de télévision de nouvelle génération et les cellules solaires. |
Références
Légende illustration principale : L’équipe de recherche internationale a découvert que les électrons excités (au centre de l’image) peuvent redresser le réseau cristallin asymétrique des nanocristaux de pérovskite. (Image : Nuri Yasdani / ETH Zurich)
Yazdani, N., Wood, V., Lindenberg, A., Bodnarchuk, M., Kovalenko, M. (2023). Crystal structure of perovskite nanocrystals. Nature Physics.
Yazdani, N., Bodnarchuk, M.I., Bertolotti, F., Kovalenko, M.V., Wood, V., Lindenberg, A.L. et al. Coupling to octahedral tilts in halide perovskite nanocrystals induces phonon-mediated attractive interactions between excitons. Nat. Phys. (2023). Doi: 10.1038/s41567-023-02253-7
Rainò, G., Yazdani, N., Wood, V., Kovalenko M.V., et al. Ultra-Narrow Room-Temperature Emission from Single CsPbBr3 Perovskite Quantum Dots. Nat. Commun. 2022, 13, 2587. Doi: 10.1038/s41467-022-30016-0
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