Effets du champ électrique sur les cristaux de iodure de plomb de méthylammonium

Cet article parle d'une recherche sur un effet spécial observé dans des petits cristaux faits de Iodure de plomb méthylammonium, un matériau qui a attiré l'attention pour son utilisation dans les cellules solaires. L'accent est mis sur la façon dont un champ électrique influence l'Effet photogalvanique circulaire (CPGE), qui est la génération de courant électrique quand la lumière brille sur ces cristaux.

#Introduction aux microcristaux d'iodure de plomb méthylammonium

L'iodure de plomb méthylammonium (MAPbI3) fait partie d'un groupe de matériaux appelés pérovskites hybrides à halogénures de plomb. Ces matériaux se démarquent par leur excellente capacité à convertir la lumière du soleil en électricité. Une caractéristique clé de ces cristaux est qu'ils permettent aux porteurs de charge (électrons et trous) de se déplacer longtemps sans perdre d'énergie. Cependant, les raisons derrière la longue durée de vie de ces porteurs de charge font encore l'objet d'études.

Les propriétés uniques de MAPbI3 viennent de son interaction forte entre charges et spins, qui sont des propriétés des particules jouant un rôle important dans la manière dont les matériaux conduisent l'électricité. Cette interaction engendre des effets appelés effets Rashba, qui peuvent influencer le comportement des électrons dans le matériau.

#Effet photogalvanique circulaire (CPGE)

L'effet photogalvanique circulaire se réfère à la génération de courant électrique qui se produit quand de la lumière polarisée circulairement brille sur un matériau. Cette lumière peut provoquer une distribution inégale des charges, entraînant un flux de courant. Les chercheurs ont utilisé cet effet pour étudier divers matériaux, y compris des puits quantiques et des matériaux bidimensionnels.

Dans des études précédentes sur MAPbI3, le CPGE a été analysé sans biais électrique, ce qui signifie qu'aucun champ électrique externe n'était appliqué. Cela limite la compréhension de la manière dont les champs électriques peuvent influencer le comportement des électrons dans ces matériaux.

#Résultats de la recherche

Les chercheurs ont mené des expériences pour enquêter sur la façon dont un champ électrique extérieur peut changer le comportement du CPGE dans les microcristaux MAPbI3. Ils ont découvert qu'appliquer un champ électrique statique augmentait considérablement le courant généré par le CPGE, le rendant jusqu'à 100 fois plus fort que d'habitude. De plus, la direction du courant pouvait être inversée en changeant l'intensité ou la direction du champ électrique.

Ce changement remarquable est principalement dû à un phénomène connu sous le nom d'Effet Rashba-Edelstein. Cet effet aide à créer un courant polarisé par spin à la surface des cristaux lorsque le champ électrique est appliqué. Les flux de charge et de spins se sont avérés étroitement liés, ce qui est crucial pour les dispositifs basés sur la spintronique, un domaine qui combine spin et charge pour de meilleures performances.

#Effets non locaux dans le CPGE

Un aspect intéressant de la recherche était que le courant généré pouvait être influencé par la lumière qui brille sur des zones en dehors du dispositif lui-même, indiquant une diffusion significative du spin autour des microcristaux. Cela signifie que l'effet de la lumière n'est pas limité à sa zone immédiate, permettant la polarisation du spin de se produire sur de plus longues distances, mesurée jusqu'à 50 mètres à basse température.

#Comparaison avec les recherches précédentes

Des études antérieures avaient montré que le CPGE commutable par biais pouvait être induit dans d'autres matériaux comme le silicium et certains matériaux bidimensionnels. Cependant, les mécanismes pour ces matériaux sont différents de ceux de MAPbI3. La structure unique de MAPbI3 ne ressemble pas à ces matériaux précédents, suggérant que les effets observés proviennent de sources différentes.

#Rôle de la température et de l'énergie des photons

La température et l'énergie de la lumière ont également joué un rôle clé dans les expériences. À mesure que la température changeait, le comportement du CPGE et le courant généré évoluaient en conséquence. Par exemple, quand la température était abaissée, le courant généré augmentait, indiquant que les fluctuations thermiques pourraient ne pas être le principal facteur derrière les effets observés.

L'énergie de la lumière utilisée dans les expériences influençait également les résultats. Une énergie lumineuse inférieure au gap de bande du matériau produisait des comportements différents de celle au-dessus du gap de bande. Les chercheurs ont découvert qu'à basse température, la lumière inférieure au gap de bande pouvait aussi générer un courant significatif, bien que les raisons exactes derrière ce phénomène soient encore en cours d'étude.

#Comprendre les effets Rashba

L'effet Rashba se réfère à une situation où les niveaux d'énergie dans un matériau sont séparés en raison du couplage spin-orbite, ce qui peut engendrer une différence d'énergie pour les électrons avec des spins différents. Cet effet est important dans des matériaux comme MAPbI3, où la structure cristalline entraîne des comportements de spin intéressants.

Bien que la majeure partie du matériau présente une symétrie d'inversion, ce qui pourrait théoriquement inhiber les effets Rashba, les chercheurs suggèrent que des conditions dynamiques, comme les fluctuations thermiques, peuvent créer une distribution non uniforme des charges et des spins, induisant des effets Rashba même dans le bulk.

#Implications pour les cellules solaires et la spintronique

Les résultats de cette recherche ont d'importantes implications pour le développement de cellules solaires avancées et de dispositifs spintroniques. En montrant que le CPGE peut être considérablement amplifié et activé ou désactivé avec un champ électrique externe, ce travail ouvre des voies pour une meilleure efficacité de conversion d'énergie dans les cellules solaires. Cela suggère également que des matériaux comme MAPbI3 pourraient être utilisés dans de futurs dispositifs électroniques qui exploitent à la fois les fonctionnalités de charge et de spin.

#Conclusions

Cette recherche met en lumière l'interaction complexe entre électricité, lumière et spin dans les microcristaux d'iodure de plomb méthylammonium. La capacité à contrôler le CPGE en utilisant un champ électrique et les implications de ces découvertes pour les technologies futures soulignent l'importance de poursuites supplémentaires dans ce domaine.

La compréhension acquise grâce à ces études élargit les applications potentielles des pérovskites hybrides, ouvrant la voie à des solutions innovantes en énergie solaire et à des dispositifs électroniques novateurs qui tirent parti des propriétés uniques des spins dans les matériaux.