Matériaux pérovskites : une plongée approfondie dans leurs vastes applications, de l'électronique à l'énergie propre

Les scientifiques approfondissent la pérovskite pour mieux comprendre ce matériau, qui a de vastes applications couvrant l’électronique, le stockage d’énergie, les lasers, l’optoélectronique, les capteurs de glucose, etc.

Scientists are taking a deeper dive into perovskite to better understand this material, which has vast applications covering electronics, energy storage, lasers, optoelectronics, glucose sensors, and more. But what is it exactly?

Les scientifiques approfondissent la pérovskite pour mieux comprendre ce matériau, qui a de vastes applications couvrant l’électronique, le stockage d’énergie, les lasers, l’optoélectronique, les capteurs de glucose, etc. Mais qu’est-ce que c’est exactement ?

Perovskite is a natural mineral made of calcium, titanium, and oxygen with the crystal structure of CaTiO₃ or having the formula ABX3. It was first discovered in 1839 in Russia. A class of materials with the same crystal structure as the mineral perovskite are also known as perovskite materials.

La pérovskite est un minéral naturel composé de calcium, de titane et d'oxygène ayant la structure cristalline de CaTiO₃ ou ayant la formule ABX3. Il a été découvert pour la première fois en 1839 en Russie. Une classe de matériaux ayant la même structure cristalline que la pérovskite minérale est également connue sous le nom de matériaux pérovskites.

The exceptional physical properties such as ferroelectric, dielectric, piezoelectric, and pyroelectric behavior and chemical properties, including catalytic activity and oxygen transport capability of perovskite, make them one of the most important structure classes in material science. This makes them a potential candidate for applications in fuel cells, memory devices, and photovoltaics.

Les propriétés physiques exceptionnelles telles que le comportement ferroélectrique, diélectrique, piézoélectrique et pyroélectrique et les propriétés chimiques, y compris l'activité catalytique et la capacité de transport de l'oxygène de la pérovskite, en font l'une des classes de structure les plus importantes en science des matériaux. Cela en fait un candidat potentiel pour des applications dans les piles à combustible, les dispositifs de mémoire et le photovoltaïque.

They can also be used in solar cells to convert sunlight into electricity, as well as for the acquisition of clean energy and the degradation of organic pollutants.

Ils peuvent également être utilisés dans les cellules solaires pour convertir la lumière du soleil en électricité, ainsi que pour l'acquisition d'énergie propre et la dégradation des polluants organiques.

Given all kinds of different industries, perovskite can potentially help advance, it makes sense that scientists are trying to understand it better.

Étant donné toutes sortes d’industries différentes, la pérovskite peut potentiellement contribuer au progrès, il est logique que les scientifiques tentent de mieux la comprendre.

Understanding Perovskite at Atomic Level for Better Control

Comprendre la pérovskite au niveau atomique pour un meilleur contrôle

Researchers from North Carolina State University, with support from the National Science Foundation, have discovered a way to create layered hybrid perovskites (LHPs) by studying them at the molecular level.

Des chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord, avec le soutien de la National Science Foundation, ont découvert un moyen de créer des pérovskites hybrides en couches (LHP) en les étudiant au niveau moléculaire.

This breakthrough allows for unprecedented control over LHPs' light-emitting properties and can lead to significant advancements in laser and LED technologies. It also holds promise for engineering other materials for use in photovoltaic devices.

Cette avancée permet un contrôle sans précédent des propriétés électroluminescentes des LHP et peut conduire à des progrès significatifs dans les technologies laser et LED. Cela est également prometteur pour la conception d’autres matériaux destinés à être utilisés dans les dispositifs photovoltaïques.

Layered hybrid perovskites (LHPs), according to the research, have emerged as promising semiconductors for next-generation energy and photonic applications. Here, controlling the distribution, size, and orientation of quantum wells (QWs) is extremely important.

Selon la recherche, les pérovskites hybrides en couches (LHP) sont devenues des semi-conducteurs prometteurs pour les applications énergétiques et photoniques de nouvelle génération. Ici, contrôler la distribution, la taille et l’orientation des puits quantiques (QW) est extrêmement important.

LHPs are made up of very thin sheets of perovskite semiconductor material. These sheets are separated from each other by thin organic “spacer” layers.

Les LHP sont constitués de feuilles très fines de matériau semi-conducteur pérovskite. Ces feuilles sont séparées les unes des autres par de fines couches organiques « espaceurs ».

Given that these thin films of multiple sheets of perovskite and “spacer” layers can efficiently convert electrical charge into light, LHPs have been of considerable interest to the research community for years. However, there is still limited understanding of how to engineer them to control their performance characteristics.

Étant donné que ces films minces constitués de plusieurs feuilles de pérovskite et de couches « d’espacement » peuvent convertir efficacement la charge électrique en lumière, les LHP suscitent un intérêt considérable pour la communauté des chercheurs depuis des années. Cependant, la compréhension de la manière de les concevoir pour contrôler leurs caractéristiques de performance est encore limitée.

To understand them, we have to start with quantum wells, which are sheets of semiconductor material jammed between ‘spacer' layers.

Pour les comprendre, nous devons commencer par les puits quantiques, qui sont des feuilles de matériau semi-conducteur coincées entre des couches « d’espacement ».

They are the layers that form in LHPs. And a two-atom thick quantum well has higher energy than the one that is five atoms thick.

Ce sont les couches qui se forment dans les LHP. Et un puits quantique de deux atomes d’épaisseur a une énergie plus élevée que celui de cinq atomes d’épaisseur.

Because energy flows from high-energy structures to low-energy structures at the molecular level, we need to have three and four atoms-thick quantum wells between the two and five atoms-thick quantum wells, allowing the energy to flow efficiently.

Étant donné que l'énergie circule des structures à haute énergie vers les structures à faible énergie au niveau moléculaire, nous avons besoin de puits quantiques de trois et quatre atomes d'épaisseur entre les puits quantiques de deux et cinq atomes d'épaisseur, permettant à l'énergie de circuler efficacement.

“You basically want to have a gradual slope that the energy can cascade down.”

"En gros, vous voulez avoir une pente progressive sur laquelle l'énergie peut descendre en cascade."

– Kenan Gundogdu, co-author of the paper and a professor of physics at NC State

– Kenan Gundogdu, co-auteur de l'article et professeur de physique à NC State

However, people kept running into an anomaly when studying LHPs. The anomaly is the size distribution of quantum wells in an LHP sample observed through X-ray diffraction, which is different from what's detected using optical spectroscopy.

Cependant, les gens ont continué à se heurter à une anomalie lors de l’étude des LHP. L'anomalie est la distribution de taille des puits quantiques dans un échantillon LHP observée par diffraction des rayons X, qui est différente de celle détectée par spectroscopie optique.

Aram Amassian, the paper's corresponding author and a professor of materials science and engineering at NC State University, illustrated how diffraction can indicate that quantum wells have a two-atom thickness and are part of a 3D bulk crystal. Meanwhile, spectroscopy can reveal that the quantum wells are two, three, and four atoms thick, in addition to the presence of the three-dimensional bulk phase.

Aram Amassian, auteur correspondant de l'article et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la NC State University, a illustré comment la diffraction peut indiquer que les puits quantiques ont une épaisseur de deux atomes et font partie d'un cristal massif 3D. Pendant ce temps, la spectroscopie peut révéler que les puits quantiques ont une épaisseur de deux, trois et quatre atomes, en plus de la présence de la phase massive tridimensionnelle.

So, the team went to look for answers: Why is there this disconnect between the two, and how can quantum wells' size and distribution in LHPs be controlled?

L’équipe est donc allée chercher des réponses : pourquoi y a-t-il cette déconnexion entre les deux, et comment contrôler la taille et la distribution des puits quantiques dans les LHP ?

Through experiments, the team discovered nanoplatelets (NPLs) to be the key player. NPLs are individual sheets of perovskite material that form spontaneously on the surface of the solution the researchers used to create LHPs.

Grâce à des expériences, l’équipe a découvert que les nanoplaquettes (NPL) étaient l’acteur clé. Les NPL sont des feuilles individuelles de matériau pérovskite qui se forment spontanément à la surface de la solution utilisée par les chercheurs pour créer les LHP.

“We found that these nanoplatelets essentially serve as templates for layered materials that form under them,” said Amassian, noting that the atomic thickness of nanoplatelets dictates the thickness of LHP beneath it.

"Nous avons constaté que ces nanoplaquettes servent essentiellement de modèles pour les matériaux en couches qui se forment sous elles", a déclaré Amassian, notant que l'épaisseur atomique des nanoplaquettes dicte l'épaisseur du LHP en dessous.

However, the nanoplatelets aren't stable, and their thickness keeps on growing, adding new layers of atoms over time.

Cependant, les nanoplaquettes ne sont pas stables et leur épaisseur ne cesse de croître, ajoutant de nouvelles couches d'atomes au fil du temps.

“Eventually, the nanoplatelet grows so thick that it becomes a three-dimensional crystal.”

"Finalement, les nanoplaquettes deviennent si épaisses qu'elles deviennent un cristal tridimensionnel."

– Amassian

– Amassien

So, the anomaly was due to diffraction detecting the stacking of sheets but not nanoplatelets, while optical spectroscopy detects isolated sheets. He added:

Ainsi, l’anomalie était due à la diffraction détectant l’empilement de feuilles mais pas les nanoplaquettes, alors que la spectroscopie optique détecte des feuilles isolées. Il a ajouté :

“What's exciting is that we found we can essentially stop the growth of nanoplatelets in a controlled way, essentially tuning the size and distribution of quantum wells in LHP films.”

"Ce qui est passionnant, c'est que nous avons découvert que nous pouvons essentiellement arrêter la croissance des nanoplaquettes de manière contrôlée, en ajustant essentiellement la taille et la distribution des puits quantiques dans les films LHP."

By doing so, researchers can attain superb energy cascades, which are essential for high reproducibility, low

Ce faisant, les chercheurs peuvent obtenir de superbes cascades d'énergie, essentielles à une reproductibilité élevée, à une faible