Explorer l'origine de la formation de polarons dans les pérovskites aux halogénures

Les pérovskites halogénures sont une classe de matériaux dont la structure sous-jacente ressemble à celle des pérovskites minérales, mais avec des sites X occupés par des ions halogénures, tandis que leurs sites A et B sont occupés par des cations. Ces matériaux possèdent diverses propriétés avantageuses qui en font des candidats prometteurs pour le développement du photovoltaïque (PV), des diodes électroluminescentes (DEL) et d'autres dispositifs optoélectroniques.

Des études récentes ont permis de recueillir des informations intéressantes sur les pérovskites aux halogénures et leurs propriétés optoélectroniques. Néanmoins, l’origine de la durée de vie remarquable des supports de ces matériaux n’a pas encore été découverte.

Des chercheurs de l'Université du Texas à Austin ont récemment mené une étude visant à apporter un nouvel éclairage sur l'origine de ces durées de vie extraordinaires des porteurs. Leur article, publié dans PNASmontre que les pérovskites halogénures sont régies par une physique électron-phonon non conventionnelle, ce qui entraîne la formation d'une nouvelle classe de quasiparticules que les auteurs ont surnommées « polarons topologiques ».

“Notre motivation était de nature expérimentale”, ont déclaré à Phys.org Jon Lafuente, Chao Lian et Feliciano Giustino, co-auteurs de l'article.

“Les pérovskites aux halogénures sont des matériaux extraordinaires pour les applications photovoltaïques et les dispositifs électroluminescents en raison de leurs propriétés optoélectroniques exceptionnelles, telles que la longue durée de vie des porteurs et les longueurs de diffusion. Certaines des techniques expérimentales les plus avancées ont été appliquées à ces matériaux pour éclairer l'origine. de ces propriétés inhabituelles et de clarifier l'origine de leur extraordinaire efficacité de conversion énergétique.

Les preuves recueillies lors d'expériences récentes suggèrent que de fortes interactions entre les électrons et les vibrations dans le réseau atomique des pérovskites aux halogénures pourraient contribuer à la durée de vie remarquable de leurs porteurs et à leur efficacité de conversion de puissance. Plus précisément, certains chercheurs ont suggéré que le processus clé à la base de ces propriétés pourrait être la formation de polarons, des quasiparticules localisées constituées d'électrons couplés à des distorsions du réseau cristallin.

“Le manque de méthodologies théoriques appropriées intégrant toute la complexité de ces matériaux et de ces quasiparticules a jusqu'à présent entravé notre capacité à comprendre la formation des polarons dans les pérovskites halogénures à l'échelle atomique”, ont expliqué Lafuente et Giustino.

“Notre groupe a récemment développé une nouvelle approche de calcul haute performance pour étudier la formation de polarons intégrant l'interaction entre les supports électroniques et les vibrations du réseau, en partant des premiers principes de la mécanique quantique.”

Au cours des dernières années, Lafuente, Lian, Giustino et leurs collègues ont tenté de faciliter la mise en œuvre de leur méthodologie proposée en utilisant des codes hautement performants, qu'ils pourraient ensuite exécuter sur certains des plus grands superordinateurs du monde (c'est-à-dire le TACC et le NERSC). des ordinateurs). Dans le cadre de leur récente étude, ils ont spécifiquement décidé d’utiliser ces méthodes pour étudier la formation de polarons dans les pérovskites aux halogénures.

“Grâce à ces méthodes, nous avons pu envisager des cellules de simulation allant de plusieurs dizaines à près d'un demi-million d'atomes, ce qui n'a jamais été réalisé auparavant”, ont déclaré Lafuente et Giustino.

“Nos calculs ont conduit à plusieurs résultats inattendus. Premièrement, nous avons découvert que les polarons peuvent prendre de nombreuses formes différentes dans les pérovskites aux halogénures : ils peuvent être très grands, s'étendant sur plusieurs nanomètres de longueur, ou ils peuvent être très petits, localisés autour d'un seul atome de bismuth. “

Les simulations effectuées par Lafuente ont également révélé que les polarons dans les pérovskites aux halogénures peuvent même former des distorsions périodiques, se manifestant à des densités suffisamment élevées sous forme d'ondes de densité de charge. Notamment, les différents types de polarons observés dans leurs simulations semblaient se former à différentes échelles de temps.

“Par exemple, nous prévoyons que lors de l'illumination, de grands polarons se formeront d'abord, puis ceux-ci se transformeront en petits polarons”, ont déclaré Lafuente et Giustino.

“Nos prédictions concordent remarquablement bien avec les expériences de spectroscopie pompe-sonde ultrarapides disponibles. La découverte peut-être la plus surprenante, cependant, est que les polarons dans les pérovskites aux halogénures présentent une “torsion” ; les déplacements atomiques entourant les polarons forment des modèles de vortex, et le vecteur associé les champs ont une topologie bien définie qui peut être décrite par des nombres topologiques quantifiés.

Les structures topologiques dévoilées par les chercheurs se sont révélées étonnamment similaires à celles des skyrmions, des mérons et des points de Bloch, trois types de quasi-particules intrigantes précédemment observées dans les systèmes magnétiques. L'existence de polarons non magnétiques présentant des caractéristiques ressemblant à celles de quasiparticules magnétiques n'avait jamais été rapportée auparavant. Cette étude pourrait donc ouvrir de nouvelles voies pour de futures recherches, conduisant potentiellement à des découvertes passionnantes.

“Nous sommes désormais impatients de poursuivre deux directions principales”, ont déclaré Lafuente et Giustino. “D'une part, même si ces résultats dressent un tableau détaillé à l'échelle atomique des polarons dans les pérovskites aux halogénures, ils ne nous disent pas exactement comment ces quasi-particules interagissent avec la lumière ni comment elles se propagent à travers le matériau. Nous aimerions développer des méthodes pour prédire le transport et les propriétés optiques de ces polarons plus en détail. »

En développant de nouvelles approches pour prédire les propriétés optiques des polarons dans les pérovskites aux halogénures, les chercheurs espèrent prédire de manière fiable de nouveaux phénomènes physiques et expliquer leur origine. Parallèlement, ils prévoient d'explorer dans quelle mesure leurs conclusions peuvent être généralisées à différents matériaux.

“Les polarons topologiques sont-ils uniques aux pérovskites aux halogénures, ou peuvent-ils également se former dans d'autres matériaux ?” Lafuente et Giustino ont ajouté.

“Quels sont les principaux ingrédients physiques nécessaires à la formation des polarons topologiques ? Pouvons-nous ajuster les paramètres des matériaux, par exemple via la déformation, la composition chimique ou la lumière, pour modifier la charge topologique et l'hélicité des polarons ?

“Ce sont quelques-unes des plus grandes questions auxquelles nous tenterons de répondre à l'avenir. En fin de compte, la découverte de polarons topologiques pourrait ouvrir des voies entièrement nouvelles dans la manipulation de l'information quantique via de nouveaux degrés de liberté non classiques.”

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