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Une avancée majeure du DOE pourrait permettre la création de dispositifs optoélectroniques jusqu'à présent inimaginables

SciTechDaily

Des chercheurs du NREL ont développé un nouveau type de LED qui contrôle le spin des électrons et émet une lumière polarisée à température ambiante en combinant une pérovskite chirale avec un semi-conducteur III-V, ce qui pourrait révolutionner le domaine de l'optoélectronique. Crédit : Issues.fr.com

Les scientifiques du NREL ont développé une LED à spin contrôlé utilisant un semi-conducteur III-V et une pérovskite aux halogénures chiraux, améliorant l'optoélectronique en augmentant les vitesses de données et en réduisant la consommation d'énergie, financée par CHOISE.

Des scientifiques du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du ministère américain de l'Énergie (DOE) ont mené un effort de recherche aboutissant à des avancées qui pourraient permettre une gamme plus large de dispositifs optoélectroniques actuellement inimaginables.

Les chercheurs, dont l’innovation précédente incluait l’incorporation d’une couche de perovskite qui permettait la création d’un nouveau type de diode électroluminescente (DEL) polarisée émettant des photons contrôlés par spin à température ambiante sans utiliser de champs magnétiques ou de contacts ferromagnétiques, sont maintenant allés plus loin en intégrant une structure optoélectronique à semi-conducteur III-V avec un semi-conducteur à perovskite à halogénure chiral. Autrement dit, ils ont transformé une LED commercialisée existante en une LED qui contrôle également le spin des électrons. Les résultats ouvrent la voie à la transformation de l’optoélectronique moderne, un domaine qui repose sur le contrôle de la lumière et qui englobe les LED, les cellules solaires et les lasers de télécommunication, entre autres dispositifs.

Implications de la recherche

« C'est à l'imagination de chacun de décider où cela pourrait aller ou où cela pourrait finir », a déclaré Matthew Beard, chercheur principal au NREL et co-auteur de l'étude récemment publiée. Nature article.

Beard est également directeur du Center for Hybrid Organic Inorganic Semiconductors for Energy (CHOISE), un centre de recherche sur les frontières de l'énergie financé par le Bureau des sciences fondamentales de l'énergie du DOE. Les recherches rapportées ont été financées par CHOISE et s'appuient sur un large éventail d'expertises scientifiques provenant du NREL, de la Colorado School of Mines, de l'Université de l'Utah, de l'Université du Colorado à Boulder et de l'Université de Lorraine en France.

Objectifs de CHOISE

L’objectif de CHOISE est de comprendre le contrôle de l’interconversion de la charge, du spin et de la lumière à l’aide de systèmes chimiques soigneusement conçus. En particulier, les travaux se concentrent sur le contrôle du spin des électrons qui peut être soit « vers le haut » soit « vers le bas ». La plupart des dispositifs optoélectroniques actuels reposent sur l’interconversion entre la charge et la lumière. Cependant, le spin est une autre propriété des électrons, et le contrôle du spin pourrait permettre une grande pléthore de nouveaux effets et fonctionnalités. Les chercheurs ont publié un article en 2021 dans lequel ils ont expliqué comment, en utilisant deux couches de pérovskite différentes, ils ont pu contrôler le spin en créant un filtre qui bloque les électrons « tournant » dans la mauvaise direction.

Ils ont émis l’hypothèse à l’époque que des progrès pourraient être réalisés en optoélectronique s’ils parvenaient à intégrer avec succès les deux semi-conducteurset a ensuite continué à faire exactement cela. Les avancées réalisées, qui incluent l'élimination du besoin de températures inférieures à zéro Celsius Les températures peuvent être utilisées pour augmenter les vitesses de traitement des données et diminuer la quantité d'énergie nécessaire.

« La plupart des technologies actuelles reposent sur le contrôle de la charge », explique Beard. « La plupart des gens oublient simplement le spin de l’électron, mais le spin est très important et c’est aussi un autre paramètre que l’on peut contrôler et utiliser. »

Jusqu’à présent, la manipulation du spin des électrons dans un semi-conducteur nécessitait l’utilisation de contacts ferromagnétiques sous l’application d’un champ magnétique. Grâce à des perovskites chirales, les chercheurs ont pu transformer une LED en une LED émettant une lumière polarisée à température ambiante et sans champ magnétique. La chiralité fait référence à la structure du matériau qui ne peut pas être superposée à son image miroir, comme une main. Par exemple, un système chiral orienté « vers la gauche » peut permettre le transport d’électrons avec des spins « vers le haut » mais bloquer les électrons avec des spins « vers le bas », et vice versa. Le spin de l’électron est ensuite converti en « spin », ou polarisation, de la lumière émise. Le degré de polarisation, qui mesure l’intensité de la lumière polarisée dans une direction, a atteint environ 2,6 % dans la recherche précédente. L’ajout du semi-conducteur III-V, qui est composé de matériaux des troisième et cinquième colonnes du tableau périodique, a augmenté la polarisation à environ 15 %. Le degré de polarisation sert de mesure directe de l’accumulation de spin dans la LED.

« Ce travail est particulièrement passionnant pour moi, car il combine la fonctionnalité de rotation avec une plate-forme LED traditionnelle », a déclaré le premier auteur de l'étude, Matthew Hautzinger. « Vous pouvez acheter une LED analogue à celle que nous avons utilisée pour 14 cents, mais avec la pérovskite chirale incorporée, nous avons transformé une technologie déjà robuste (et bien comprise) en un dispositif futuriste de contrôle de rotation. »

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