Les pérovskites halogénées constituent une famille de matériaux ayant suscité un grand intérêt en raison de leurs propriétés optoélectroniques supérieures et de leurs éventuelles applications dans des dispositifs tels que des cellules solaires hautement performantes, des diodes électroluminescentes et des lasers.
Les défis de l’intégration à l’échelle nanométrique
Ces matériaux ont principalement été intégrés dans des applications de dispositifs en films minces ou de taille micronique. L’intégration précise de ces matériaux à l’échelle nanométrique pourrait débloquer des applications encore plus remarquables, comme les sources de lumière sur puce, les photodétecteurs et les memristors. Cependant, cette intégration reste un défi car ce matériau délicat peut être endommagé par les techniques conventionnelles de fabrication et de modelage.
Pour surmonter cet obstacle, des chercheurs du MIT ont mis au point une technique permettant de faire pousser sur site des nanocristaux de pérovskite halogénée individuels, avec un contrôle précis de l’emplacement, à moins de 50 nanomètres près. (Une feuille de papier mesure 100 000 nanomètres d’épaisseur.)
La taille des nanocristaux peut également être contrôlée précisément grâce à cette technique, ce qui est important car la taille influe sur leurs caractéristiques. Comme le matériau est cultivé localement avec les caractéristiques souhaitées, les étapes de modelage lithographiques conventionnelles qui pourraient causer des dommages ne sont pas nécessaires.
Une technique polyvalente et adaptable
Cette technique est également évolutive, polyvalente et compatible avec les étapes de fabrication conventionnelles, ce qui permet d’intégrer les nanocristaux dans des dispositifs nanométriques fonctionnels.
Les chercheurs l’ont utilisée pour fabriquer des réseaux de diodes électroluminescentes à l’échelle nanométrique (nanoLED) – de minuscules cristaux qui émettent de la lumière lorsqu’ils sont activés électriquement.
De tels réseaux pourraient avoir des applications dans la communication et l’informatique optique, les microscopes sans lentille, de nouveaux types de sources de lumière quantique, et des affichages haute densité et haute résolution pour la réalité augmentée et virtuelle.
Des nanocristaux aux défis colossaux
L’intégration des pérovskites halogénées dans des dispositifs nanométriques sur puce est extrêmement difficile en utilisant les techniques de fabrication nanométriques conventionnelles.
L’une des approches consiste à modeler un film mince de pérovskites fragiles à l’aide de procédés lithographiques, qui nécessitent des solvants susceptibles d’endommager le matériau. Une autre approche consiste à former d’abord de plus petits cristaux en solution, puis à les sélectionner et les placer depuis la solution dans le motif souhaité.
« Dans les deux cas, il y a un manque de contrôle, de résolution et de capacité d’intégration, ce qui limite la manière dont le matériau peut être étendu aux nanodispositifs, » déclare Farnaz Niroui, assistante de développement de carrière EE Landsman au département d’ingénierie électrique et d’informatique (EECS).
Une technique de croissance sur site
En réponse à cela, Farnaz Niroui et son équipe ont développé une approche permettant de « faire pousser » des cristaux de pérovskite halogénée dans des emplacements précis directement sur la surface souhaitée où le nanodispositif sera ensuite fabriqué.
Au cœur de leur processus se trouve la localisation de la solution utilisée pour la croissance du nanocristal. Pour ce faire, ils créent un modèle nanométrique avec de petits puits qui contiennent le processus chimique à travers lequel les cristaux se développent. Ils modifient la surface du modèle et l’intérieur des puits, en contrôlant une propriété connue sous le nom de « mouillabilité » afin qu’une solution contenant du matériau de pérovskite ne se rassemble pas sur la surface du modèle et soit confinée à l’intérieur des puits.
« Maintenant, vous avez ces réacteurs très petits et déterministes dans lesquels le matériau peut se développer« , explique-t-elle.
Une technique polyvalente et modulable
Les chercheurs ont découvert que la forme des puits joue un rôle critique dans le contrôle du positionnement des nanocristaux. Si des puits carrés sont utilisés, en raison de l’influence des forces nanométriques, les cristaux ont une chance égale d’être placés dans chacun des quatre coins du puits. Pour certaines applications, cela pourrait suffire, mais pour d’autres, il est nécessaire d’avoir une précision plus élevée dans le placement des nanocristaux.
En modifiant la forme du puits, les chercheurs ont pu manipuler ces forces nanométriques de telle manière qu’un cristal est préférentiellement placé à l’emplacement souhaité. En effet, lorsque le solvant s’évapore à l’intérieur du puits, le nanocristal subit un gradient de pression qui crée une force directionnelle, dont la direction exacte est déterminée par la forme asymétrique du puits.
Des perspectives d’applications fascinantes
Ils ont également constaté qu’ils pouvaient contrôler la taille du cristal qui se forme à l’intérieur d’un puits. En changeant la taille des puits pour permettre plus ou moins de solution de croissance à l’intérieur, ils peuvent générer des cristaux plus grands ou plus petits.
Ils ont démontré l’efficacité de leur technique en fabriquant des réseaux précis de diodes électroluminescentes de taille nanométrique (nanoLEDs). Dans cette approche, chaque nanocristal est transformé en un nanopixel qui émet de la lumière. Ces réseaux denses de nanoLED pourraient être utilisés pour la communication et le calcul optiques sur puce, les sources de lumière quantiques, la microscopie et les affichages haute résolution pour des applications en réalité augmentée et virtuelle.
« Cela nous permet d’avoir une très haute précision, non seulement dans la croissance, mais aussi dans le placement de ces nanocristaux, » ajoute Farnaz Niroui.
Les futurs défis
À l’avenir, les chercheurs souhaitent explorer davantage d’applications potentielles pour ces minuscules sources de lumière. Ils veulent également tester les limites de la taille que ces dispositifs peuvent atteindre, et travailler à les intégrer efficacement dans les systèmes quantiques. Au-delà des sources de lumière nanométriques, le processus ouvre également d’autres possibilités pour le développement de nanodispositifs à base de pérovskite halogénée sur puce.
Leur technique offre également une manière plus simple pour les chercheurs d’étudier les matériaux au niveau individuel des nanocristaux, ce qu’ils espèrent inspirera d’autres à mener des études supplémentaires sur ces matériaux uniques et d’autres.
Légende illustration principale : Une nouvelle plateforme du MIT permet aux chercheurs de « cultiver » des nanocristaux de pérovskite halogénée en contrôlant avec précision l’emplacement et la taille de chaque cristal, pour les intégrer dans des diodes électroluminescentes à l’échelle nanométrique. La photo montre un rendu de l’émission d’un réseau de nanocristaux. Crédit : Sampson Wilcox, MIT RLE
Ce travail a été soutenu, en partie, par la National Science Foundation et le MIT Center for Quantum Engineering.
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