De nombreux problèmes scientifiques et techniques pourraient être facilement résolus s’il était possible de voir à l’intérieur d’un matériau et d’observer ses atomes et ses électrons osciller. Dans le cas des halogénures de perovskite, un type de minéral qui est devenu populaire ces dernières années pour des applications dans différentes technologies, des cellules solaires aux technologies quantiques, les physiciens ont longtemps essayé de comprendre leurs excellentes propriétés optiques. Une équipe de chercheurs dirigée par Nuri Yazdani et Vanessa Wood à l’ETH Zurich et Aaron Lindenberg à Stanford, en collaboration avec des collègues de l’Empa à Dübendorf, a apporté une contribution essentielle à la compréhension des pérovskites : Les chercheurs ont étudié les mouvements des atomes dans les nanocristaux avec une résolution temporelle de quelques milliardièmes de seconde. Ils ont récemment publié leurs résultats dans la revue spécialisée Nature Physics.
"Les perovskites à halogénures sont formidables pour de nombreuses applications en opto-électronique", explique Yazdani, "mais il est en quelque sorte étonnant que cette classe de matériaux puisse avoir des propriétés optiques et électroniques aussi exceptionnelles". Les pervoskites sont des minéraux qui ont le même type de structure cristalline que la titanate de calcium (CaTiO3) de la perovskite "originale". On savait déjà que les électrons, qui sont excités à des énergies plus élevées lorsque les pérovskites absorbent la lumière, se couplent fortement aux phonons dans le matériau. Les phonons sont, comme les ondes sonores, des vibrations collectives des atomes dans un cristal.
"Souvent, la position centrale de chaque atome dans un cristal peut être considérée comme rigide, mais ce n’est plus possible lorsque l’excitation optique d’un électron entraîne une réorganisation étendue du réseau cristallin", explique Yazdani. La question à laquelle les chercheurs devaient donc répondre était la suivante : comment les électrons excités dans les pérovskites modifient-ils la forme du réseau cristallin ?
Un regard à l’intérieur des nanocristaux
Pour jeter un coup d’½il à l’intérieur d’une pérovskite (formamidinium-bromure de plomb) que Maryna Bonarchuk et le professeur de l’ETH Maksym Kovalenka ont synthétisée à l’Empa, les chercheurs ont utilisé la ligne de faisceau de diffraction électronique ultra-rapide du Stanford National Accelerator Laboratory (SLAC), qui produit des impulsions d’électrons très courtes, d’une durée de quelques centaines de femtosecondes seulement (un millionième de millionième de seconde). Ces électrons rencontrent ensuite les nanocristaux de pérovskite, qui ne mesurent que 10 nanomètres, et les électrons diffractés sont collectés sur un écran. Comme les électrons sont des particules quantiques qui se comportent comme des ondes, ils se superposent de manière constructive ou destructive après avoir été diffractés par les atomes du matériau, selon la position des atomes et la direction de diffraction - un peu comme la lumière qui a traversé une double fente. Même de minuscules changements dans la structure cristalline peuvent être mesurés de cette manière.Les chercheurs ont utilisé une particularité de la ligne de faisceau au SLAC pour prendre des instantanés de la structure cristalline pendant et après l’absorption d’un photon : En utilisant le même laser pour émettre les photons et déclencher l’impulsion d’électrons, ils ont pu contrôler le temps relatif d’arrivée des photons et des électrons sur les nanocristaux en modifiant la distance parcourue par les photons. En analysant ces instantanés sur plusieurs centaines de picosecondes (milliardièmes de seconde), il a été possible de voir comment la déformation du réseau cristallin provoquée par les électrons excités évoluait dans le temps.
