Excitons : des blocs de construction du futur pour le photovoltaïque

Une équipe de recherche internationale dirigée par l’université de Göttingen a, pour la première fois, observé l’accumulation d’un phénomène physique qui joue un rôle dans la conversion de la lumière solaire en énergie électrique dans des matériaux en 2D.

Les scientifiques ont réussi à rendre visibles des quasi-particules – connues sous le nom d’excitons intercouches de Moiré sombre – et à expliquer leur formation à l’aide de la mécanique quantique.

Les chercheurs montrent comment une technique expérimentale récemment mise au point à Göttingen, la microscopie impulsionnelle à photoémission femtoseconde, fournit des informations approfondies au niveau microscopique, qui seront utiles pour le développement des technologies futures. Les résultats ont été publiés dans Nature.

Les structures atomiquement fines constituées de matériaux semi-conducteurs bidimensionnels sont des candidats prometteurs pour les futurs composants de l’électronique, de l’optoélectronique et du photovoltaïque. Il est intéressant de noter que les propriétés de ces semi-conducteurs peuvent être contrôlées d’une manière inhabituelle : comme des briques Lego, les couches atomiquement fines peuvent être empilées les unes sur les autres. Mais il existe une autre astuce importante : alors que les briques de Lego ne peuvent être empilées que les unes sur les autres, que ce soit directement ou en les tordant selon un angle de 90 degrés, l’angle de rotation de la structure des semi-conducteurs peut être modifié. C’est précisément cet angle de rotation qui est intéressant pour la production de nouveaux types de cellules solaires. Cependant, bien que la modification de cet angle puisse révéler des percées pour de nouvelles technologies, elle entraîne également des défis expérimentaux. En effet, les approches expérimentales typiques n’ont qu’un accès indirect aux excitons intercouches de moiré, c’est pourquoi ces excitons sont communément appelés excitons « sombres ».

« Grâce à la microscopie impulsionnelle à photoémission femtoseconde, nous avons réussi à rendre visibles ces excitons sombres« , explique le Dr Marcel Reutzel, chef du groupe de recherche junior à la faculté de physique de l’université de Göttingen. « Cela nous permet de mesurer comment les excitons se forment à l’échelle de temps d’un millionième de millionième de milliseconde. Nous pouvons décrire la dynamique de la formation de ces excitons à l’aide de la théorie de la mécanique quantique développée par le groupe de recherche du professeur Ermin Malic à Marbourg.« 

« Ces résultats nous donnent non seulement un aperçu fondamental de la formation des excitons intercouches sombres de Moiré, mais ouvrent également une toute nouvelle perspective pour permettre aux scientifiques d’étudier les propriétés optoélectroniques de nouveaux matériaux fascinants« , déclare le professeur Stefan Mathias, responsable de l’étude à la faculté de physique de l’université de Göttingen. « Cette expérience est révolutionnaire car, pour la première fois, nous avons détecté la signature du potentiel de Moiré imprimé sur l’exciton, c’est-à-dire l’impact des propriétés combinées des deux couches semi-conductrices torsadées. À l’avenir, nous étudierons plus avant cet effet spécifique afin d’en savoir plus sur les propriétés des matériaux résultants.« 

Cette recherche a été rendue possible grâce à la Fondation allemande pour la recherche (DFG) qui a financé le Centre de recherche en collaboration pour les CRC « Contrôle de la conversion de l’énergie à l’échelle atomique » et « Mathématiques de l’expérience » à Göttingen, et le CRC « Structure et dynamique des interfaces internes » à Marburg.

Original publication: Schmitt et al. “Formation of moiré interlayer excitons in space and time”, Nature 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04977-7

Légende d’illustation

Représentation artistique montrant les couches torsadées de diséléniure de tungstène (en haut) et de disulfure de molybdène (en bas). Après excitation par la lumière, une multitude d’excitons optiquement « sombres » se forment entre les couches. Ces excitons « sombres » sont des paires électron-trou liées par l’interaction de Coulomb (sphères claires et sombres reliées par des lignes de champ), qui ne peuvent pas être observées directement par la lumière visible. L’une des quasi-particules les plus intéressantes est l' »exciton intercouche moiré » – représenté au milieu de l’image – dans lequel le trou est situé dans une couche et l’électron dans l’autre. La formation de ces excitons à l’échelle de temps de la femtoseconde et l’influence du potentiel de moiré (illustré par des pics et des creux dans les couches) ont été étudiées dans la présente étude à l’aide de la microscopie quantique à photoémission femtoseconde et de la théorie de la mécanique quantique.