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Cultiver des cristaux hybrides à trois étages pour les lasers

En contrôlant la disposition de plusieurs couches inorganiques et organiques dans les cristaux à l’aide d’une nouvelle procedure, des chercheurs de l’Université Duke et de l’Université Purdue ont montré qu’ils pouvaient contrôler les niveaux d’énergie des électrons et des trous (porteurs de demand positifs) au sein d’une classe de matériaux appelés pérovskites. Ce réglage affect les propriétés optoélectroniques des matériaux et leur capacité à émettre de la lumière d’énergies spécifiques, démontrée par leur capacité à fonctionner comme resource de lasers.

Parues en ligne le 31 août dans la revue Mother nature Chemistry, ces recherches sont le fruit d’une étroite collaboration entre plusieurs équipes expérimentales et théoriques. Les équipes expérimentales synthétisent les matériaux et caractérisent leurs propriétés, tandis que l’équipe théorique effectue des simulations informatiques pour prédire la structure électronique et les propriétés des matériaux.

L’un des fondements importants du travail informatique est un investissement de longue day dans la création de codes de simulation informatique pour les propriétés des matériaux. “Nous avons investi près de 20 ans pour pouvoir effectuer ce form de calculs dans des systèmes moreover vastes”, a déclaré Volker Blum, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux à Duke. “Cette étude impliquait la simulation de buildings comprenant jusqu’à approximativement 900 atomes avec une méthodologie avancée, qui nécessite des superordinateurs puissants capables de gérer certains des calculs les plus importants de la planète.”

Les matériaux pérovskites constituent une classe de composés qui ont suscité une attention considérable dans le domaine de la science des matériaux en raison de leurs propriétés uniques, en particulier dans le domaine des semi-conducteurs. Ces matériaux, définis par leur structure cristalline spécifique, peuvent être utilisés dans des purposes telles que les diodes électroluminescentes (DEL), les cellules solaires et les lasers.

L’article se concentre sur l’affinement du contrôle structurel des matériaux pérovskites en couches avec incorporation de semi-conducteurs organiques. Bien que ces varieties de pérovskites aient déjà été fabriqués avec des couches uniques de composants organiques et inorganiques (y compris dans les recherches pionnières de David B. Mitzi, aujourd’hui professeur à Duke), la capacité de contrôler avec précision l’épaisseur du composant inorganique et, ainsi. ajuster les propriétés du matériau, est resté insaisissable pour ces « pérovskites organiques incorporées à semi-conducteurs » furthermore complexes.

Selon leurs découvertes, les composants organiques ajoutés aux couches inorganiques affectent les propriétés des semi-conducteurs, telles que les niveaux d’énergie et l’émission de lumière. En contrôlant soigneusement la disposition des atomes et le nombre de couches dans ces constructions, les chercheurs peuvent ajuster les propriétés optiques et électroniques du matériau obtenu.

Leurs recherches abordent également les défis liés à la synthèse de ces matériaux, notamment la nécessité de mélanger différents composants qui peuvent ne pas se dissoudre facilement dans le même solvant, comme essayer de mélanger de l’huile et du sel dans de l’eau. Réaliser une superposition et un alignement précis dans des buildings as well as grandes devient as well as complexe.

“C’est comme prendre du sel et de l’huile d’olive et essayer de les mélanger à de l’eau”, a expliqué Blum. “L’un se dissout et l’autre non. Et si vous essayez d’utiliser de l’essence au lieu de l’eau, vous vous retrouvez avec le même problème. Nos collaborateurs ont pu trouver un moyen de mettre les deux en resolution et de les sécher en cristaux ordonnés, et nous avons pu able de modéliser ces cristaux pour expliquer comment ils fonctionnent.

Tandis que Blum dirigeait les efforts visant à simuler et à caractériser informatiquement ces matériaux, Letian Dou, professeur agrégé Charles Davidson de génie chimique à l’Université Purdue, dirigeait l’effort world wide visant à synthétiser et caractériser ces buildings de pérovskite en couches.

Ce travail a été soutenu par la Countrywide Science Basis (2110706-DMR, DMR-1729297, CHE 1625543), le ministère de l’Énergie (DE-SC0022082, DE-AC02-05CH11231, DE-AC02-05CH11231) et la New Cornerstone Science Foundation..