Illustration montrant des électrons excitant la lumière dans deux molécules du semi-conducteur organique connu sous le nom de buckminsterfullerène. L’exciton nouvellement formé (représenté par le point lumineux) est d’abord réparti sur deux molécules avant de se déposer sur une molécule (représentée à droite sur l’image). Crédit : Andreas Windischbacher
Une nouvelle technique d’imagerie révèle la dynamique des excitons dans les organismes organiques semi-conducteursoffrant un aperçu de leurs propriétés quantiques et de leur potentiel d’amélioration des matériaux de conversion d’énergie.
Des panneaux solaires sur nos toits aux nouveaux écrans de télévision OLED, de nombreux appareils électroniques du quotidien 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 repose sur des molécules organiques, constituées en grande partie de carbone, comme le buckminsterfullerène. Le fonctionnement des semi-conducteurs organiques est largement déterminé par leur comportement dans les premiers instants après que la lumière excite les électrons, formant ainsi des « excitons » dans le matériau.
Wiebke Bennecke. Crédit : Fotostudio Roman Brodel/Braunschweig
Des chercheurs des universités de Göttingen, Graz, Kaiserslautern-Landau et Grenoble-Alpes ont 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 (0,000 000 000 000 001 s). ) et un milliardième de mètre (0,000 000 001 m). Cette compréhension est essentielle pour développer des matériaux plus efficaces avec des semi-conducteurs organiques.
Les résultats ont été publiés récemment dans la revue scientifique Communications naturelles.
Comprendre la dynamique des excitons
Lorsque la lumière frappe un matériau, certains électrons absorbent l’énergie, ce qui les met 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, appelées excitons.
Comprendre les propriétés mécaniques quantiques de ces excitons dans les semi-conducteurs organiques a longtemps été considéré comme un défi majeur, tant d’un point de vue théorique qu’expérimental.
Dr Matthijs Jansen. Crédit : Christina Möller
La nouvelle méthode met en lumière cette énigme. Wiebke Bennecke, physicien à l’université de Göttingen et premier auteur de l’étude, explique : « Grâce à notre microscope électronique à photoémission, nous pouvons reconnaître que les forces d’attraction au sein des excitons modifient considérablement leur distribution d’énergie et de vitesse. Nous mesurons les changements avec une résolution extrêmement élevée dans le temps et dans l’espace et les comparons aux prédictions théoriques de la mécanique quantique.
Les chercheurs appellent cette nouvelle technique la tomographie par exciton par photoémission. La théorie sous-jacente a été développée par une équipe dirigée par le professeur Peter Puschnig de l’Université de Graz.
Avancées dans la recherche sur les semi-conducteurs
Cette nouvelle technique permet aux scientifiques, pour la première fois, de mesurer et de visualiser la fonction d’onde de la mécanique quantique des excitons. En termes simples, la fonction d’onde décrit l’état d’un exciton et détermine sa probabilité d’être présent.
Le Dr Matthijs Jansen, de l’Université de Göttingen, explique l’importance de ces résultats : « Le semi-conducteur organique que nous avons étudié était le buckminsterfullerène, constitué d’un arrangement sphérique de 60 atomes de carbone. La question était de savoir si un exciton serait toujours localisé sur une seule molécule ou s’il pourrait être réparti simultanément sur plusieurs molécules. Cette propriété peut avoir une influence majeure sur l’efficacité des semi-conducteurs des cellules solaires.
Professeur Stefan Mathias. Crédit : Stefan Mathias
La tomographie des excitons par photoémission apporte la réponse : immédiatement après que l’exciton est généré par la lumière, il est distribué sur deux ou plusieurs molécules. Cependant, en 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 grâce à cette nouvelle méthode. Selon le professeur Stefan Mathias, de l’université de Göttingen, cela présente un potentiel : « Nous voulons par exemple 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 d’énergie dans les semi-conducteurs organiques. Et nous espérons que ces connaissances contribueront au développement de matériaux plus efficaces pour les cellules solaires.
Cette recherche a bénéficié du financement de la Fondation allemande pour la recherche (DFG) pour les centres de recherche collaboratifs « Contrôle à l’échelle atomique de la conversion d’énergie » et « Mathématiques de l’expérience » à Göttingen et « Spin+X » à Kaiserslautern-Landau. L’équipe de Graz a été soutenue par le financement de l’ERC Synergy Grant « Orbital Cinema » de l’Union européenne.
