Épitaxie à température ambiante de α-CH3NH3PbI3 pérovskite halogénure par dépôt laser pulsé

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Contexte académique

Les pérovskites halogénées métalliques (Metal Halide Perovskites, MHPs) ont attiré une attention considérable dans le domaine photovoltaïque en raison de leurs propriétés optoélectroniques uniques. Ces matériaux ont également été largement étudiés pour des applications dans les diodes électroluminescentes, les lasers, les photodétecteurs et la spintronique. Cependant, malgré les progrès significatifs réalisés dans la fabrication de films de pérovskites par des méthodes en solution (solution-processed), les recherches sur la croissance épitaxiale (epitaxial growth) de films de pérovskites par des méthodes en phase vapeur (vapor-phase deposition) restent limitées. La croissance épitaxiale est une technique permettant de produire des films monocristallins, essentielle pour comprendre les propriétés physiques fondamentales des matériaux et pour développer des dispositifs haute performance. Cet article vise à réaliser la croissance épitaxiale de α-CH3NH3PbI3 (pérovskite de plomb iodure de méthylammonium) à température ambiante par la technique de dépôt par laser pulsé (Pulsed Laser Deposition, PLD) et à étudier ses propriétés optoélectroniques.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Junia S. Solomon, Tatiana Soto-Montero, Yorick A. Birkhölzer et leur équipe de l’Université de Twente (Pays-Bas), et publié dans le numéro d’avril 2025 de la revue Nature Synthesis, sous le titre “Room-temperature epitaxy of α-CH3NH3PbI3 halide perovskite by pulsed laser deposition”.

Processus de recherche

1. Préparation des films par dépôt par laser pulsé (PLD)

L’équipe de recherche a d’abord préparé des films de α-CH3NH3PbI3 à température ambiante par la technique de PLD. Le PLD est une technique de dépôt en phase vapeur physique permettant un contrôle précis de l’épaisseur et de la composition des films. Dans l’expérience, une cible non stoechiométrique (pbi2:mai = 1:8) a été utilisée pour garantir la stoechiométrie du film. La cible a été mélangée pendant 48 heures dans un broyeur à billes, puis pressée en forme de disque. Pendant le dépôt, la densité d’énergie du laser a été maintenue à 0,32 J/cm², avec un taux de dépôt d’environ 0,7 nm/min. Les films ont été déposés sur un substrat de KCl (chlorure de potassium), dont les paramètres de réseau sont très proches de ceux de α-CH3NH3PbI3, avec un désaccord de réseau (lattice mismatch) de seulement -0,6% à 0,16%.

2. Caractérisation structurale

Pour vérifier le succès de la croissance épitaxiale, l’équipe a utilisé diverses techniques de caractérisation structurale, notamment la diffraction des rayons X (XRD), la diffraction d’électrons rétrodiffusés (EBSD) et la microscopie à force atomique (AFM). La cartographie de l’espace réciproque (Reciprocal Space Mapping, RSM) et les figures de pôles (Pole Figures, PFs) par XRD ont confirmé la relation de déformation entre le film et le substrat, et ont validé la stabilisation de la phase cubique (cubic phase) de α-CH3NH3PbI3 à température ambiante. Les données EBSD ont en outre confirmé la croissance mono-orientée (single-oriented growth) du film, avec tous les grains alignés dans la direction [001].

3. Tests des propriétés optoélectroniques

L’équipe a étudié les propriétés optoélectroniques des films par spectroscopie de photoluminescence (Photoluminescence, PL) et par spectroscopie optique pompe-sonde térahertz (Optical-Pump Terahertz-Probe, OPTP). Les spectres PL ont montré que le film de 15 nm avait un gap énergétique de 1,66 eV, restant stable pendant 300 jours. Avec l’augmentation de l’épaisseur du film, le gap énergétique a légèrement rougi, indiquant un affaiblissement progressif de la déformation induite par le substrat. De plus, l’équipe a prédit l’effet de la déformation sur le gap énergétique grâce à des calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité (Density Functional Theory, DFT).

Résultats principaux

1. Réussite de la croissance épitaxiale

Grâce à une analyse conjointe par XRD et EBSD, l’équipe a confirmé la croissance épitaxiale de α-CH3NH3PbI3 sur un substrat de KCl. La phase cubique du film a été stabilisée à température ambiante, et la déformation a diminué avec l’augmentation de l’épaisseur du film. Les images AFM ont montré que le film était composé de grains colonnaires, dont la taille augmentait avec l’épaisseur.

2. Excellentes propriétés optoélectroniques

Les spectres PL ont montré que le film de 15 nm avait un gap énergétique de 1,66 eV, restant stable pendant 300 jours. Avec l’augmentation de l’épaisseur du film, le gap énergétique a légèrement rougi, indiquant un affaiblissement progressif de la déformation induite par le substrat. De plus, l’équipe a prédit l’effet de la déformation sur le gap énergétique grâce à des calculs DFT, confirmant que la déformation épitaxiale permet une modulation significative du gap énergétique.

3. Amélioration de la mobilité des porteurs de charge

Grâce à la spectroscopie OPTP, l’équipe a mesuré la mobilité des porteurs de charge dans les films. La mobilité du film de 15 nm était de 4,2 cm²/V·s, tandis que celle du film de 70 nm a augmenté à 8,7 cm²/V·s. Ces résultats montrent qu’avec l’augmentation de l’épaisseur du film, la taille des grains augmente, ce qui améliore la mobilité des porteurs de charge.

Conclusion

Cet article a réussi à réaliser la croissance épitaxiale de α-CH3NH3PbI3 à température ambiante par la technique de PLD, et a confirmé ses excellentes propriétés optoélectroniques. Les résultats montrent qu’en choisissant un substrat approprié et en ajustant l’épaisseur du film, il est possible de contrôler avec précision la stabilité de phase et les propriétés optoélectroniques des pérovskites. Cette recherche offre de nouvelles perspectives pour le développement de dispositifs à base de pérovskites haute performance, et fournit des bases expérimentales importantes pour comprendre les propriétés physiques fondamentales des matériaux pérovskites.

Points forts de la recherche

  1. Croissance épitaxiale à température ambiante : Première réalisation de la croissance épitaxiale de α-CH3NH3PbI3 à température ambiante par PLD, dépassant les limites des techniques de dépôt en phase vapeur nécessitant des températures élevées.
  2. Stabilité de phase exceptionnelle : La stabilité de la phase cubique de α-CH3NH3PbI3 à température ambiante a été confirmée par XRD et EBSD, avec un gap énergétique stable pendant 300 jours.
  3. Modulation du gap énergétique par déformation : Les calculs DFT ont prédit un effet significatif de la déformation épitaxiale sur le gap énergétique, offrant un support théorique pour le développement de nouveaux matériaux optoélectroniques.
  4. Amélioration de la mobilité des porteurs de charge : La mobilité des porteurs de charge a augmenté significativement avec l’épaisseur du film, montrant que l’ajustement de l’épaisseur du film peut optimiser les performances des dispositifs.

Signification de la recherche

Cette étude fournit non seulement une nouvelle voie technologique pour la croissance épitaxiale des matériaux pérovskites, mais offre également des bases expérimentales et théoriques importantes pour comprendre l’effet de la déformation sur la stabilité de phase et les propriétés optoélectroniques des pérovskites. Ces résultats pourraient accélérer l’application des matériaux pérovskites dans les domaines photovoltaïques, des diodes électroluminescentes, des photodétecteurs, et ouvrir de nouvelles perspectives pour le développement de dispositifs optoélectroniques haute performance.