La spectroscopie et la théorie éclairent les excitons dans les semi-conducteurs
Une équipe de chercheurs réalise pour la première fois des images extrêmement rapides et précises
Des panneaux solaires sur nos toits aux nouveaux écrans de télévision OLED, de nombreux appareils électroniques de tous les jours ne fonctionneraient tout simplement pas sans l'interaction entre la lumière et les matériaux qui composent les semi-conducteurs. Une nouvelle catégorie de semi-conducteurs est basée sur des molécules organiques, essentiellement composées de carbone, comme le buckminsterfullerène. Le fonctionnement des semi-conducteurs organiques est largement déterminé par leur comportement dans les premiers instants qui suivent l'excitation des électrons par la lumière, formant des "excitons" dans le matériau. Des chercheurs des universités de Göttingen, Graz, Kaiserslautern-Landau et Grenoble-Alpes ont maintenant, pour la première fois, réalisé des images très rapides et très précises de ces excitons - en fait, avec une précision d'un quadrillionième de seconde (0,000 000 000 000 001s) et d'un milliardième de mètre (0,000 000 001m). Cette compréhension est essentielle pour développer des matériaux plus efficaces avec des semi-conducteurs organiques. Les résultats ont été publiés dans Nature Communications.
Lorsque la lumière frappe un matériau, certains électrons absorbent l'énergie, ce qui les place dans un état excité. Dans les semi-conducteurs organiques, tels que ceux utilisés dans les OLED, l'interaction entre ces électrons excités et les "trous" restants est très forte, et les électrons et les trous ne peuvent plus être décrits comme des particules individuelles. Au lieu de cela, les électrons chargés négativement et les trous chargés positivement se combinent pour former des paires, connues sous le nom d'excitons. La compréhension des propriétés mécaniques quantiques de ces excitons dans les semi-conducteurs organiques a longtemps été considérée comme un défi majeur, tant d'un point de vue théorique qu'expérimental.
La nouvelle méthode permet d'élucider cette énigme. Wiebke Bennecke, physicienne à l'université de Göttingen et premier auteur de l'étude, explique : "Grâce à notre microscope électronique à photoémission, nous pouvons constater que les forces d'attraction au sein des excitons modifient considérablement leur distribution d'énergie et de vitesse. Nous mesurons ces changements avec une résolution extrêmement élevée à la fois dans le temps et dans l'espace, et nous les comparons aux prédictions théoriques de la mécanique quantique". Les chercheurs appellent cette nouvelle technique la tomographie par photoémission d'excitons. La théorie qui la sous-tend a été développée par une équipe dirigée par le professeur Peter Puschnig de l'université de Graz.
Cette nouvelle technique permet aux scientifiques, pour la première fois, de mesurer et de visualiser la fonction d'onde mécanique quantique des excitons. En d'autres termes, la fonction d'onde décrit l'état d'un exciton et détermine sa probabilité de présence. Matthijs Jansen, de l'université de Göttingen, explique l'importance de ces résultats : "Le semi-conducteur organique que nous avons étudié est le buckminsterfullerène, qui consiste en un arrangement sphérique de 60 atomes de carbone. La question était de savoir si un exciton était toujours situé sur une seule molécule ou s'il pouvait être réparti sur plusieurs molécules simultanément. Cette propriété peut avoir une influence majeure sur l'efficacité des semi-conducteurs dans les cellules solaires". La tomographie des excitons par photoémission apporte la réponse : immédiatement après que l'exciton a été généré par la lumière, il est réparti sur deux molécules ou plus. Toutefois, en l'espace de quelques femtosecondes, c'est-à-dire en une infime fraction de seconde, l'exciton se réduit à une seule molécule.
À l'avenir, les chercheurs souhaitent enregistrer le comportement des excitons à l'aide de la nouvelle méthode. Selon le professeur Stefan Mathias, de l'université de Göttingen, cette méthode est prometteuse : "Par exemple, nous voulons voir comment le mouvement relatif des molécules influence la dynamique des excitons dans un matériau. Ces recherches nous aideront à comprendre les processus de conversion énergétique dans les semi-conducteurs organiques. Et nous espérons que ces connaissances contribueront au développement de matériaux plus efficaces pour les cellules solaires."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Wiebke Bennecke, Andreas Windischbacher, David Schmitt, Jan Philipp Bange, Ralf Hemm, Christian S. Kern, Gabriele D’Avino, Xavier Blase, Daniel Steil, Sabine Steil, Martin Aeschlimann, Benjamin Stadtmüller, Marcel Reutzel, Peter Puschnig, G. S. Matthijs Jansen, Stefan Mathias; "Disentangling the multiorbital contributions of excitons by photoemission exciton tomography"; Nature Communications, Volume 15, 2024-2-28
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