Les pérovskites à halogénure de plomb (LHP) de composition CsPbX3 (X étant un halogénure, tel que I, Cl, Br) ont attiré l’attention de la communauté scientifique en raison des avancées technologiques dans les domaines du photovoltaïque, des LED, de la détection des rayonnements et de la thermométrie. Une limite essentielle à leur application est leur manque de résistance à long terme et leur production avec la structure cristalline requise qui détermine leur comportement électronique et optique.
Récemment, Jingwei Hou (Univ. du Queensland, UQ, Australie) et ses collaborateurs ont découvert une nouvelle classe de composites, constitués de nanoparticules de LHPs incorporées et protégées dans des structures organiques métalliques poreuses (« metal-organic frameworks » ou MOFs). Ces composites ont été produits par frittage en phase liquide réalisé dans des conditions de température où les grains solides de LHPs et de MOFs coexistent avec un liquide mouillant, suivi d’une solidification rapide dans l’azote liquide. Cela a conduit à la production fiable de cristaux de LHPs de dix nanomètres dispersés (et protégés) dans le MOF avec une émission de lumière efficace et un contrôle de la longueur d’onde (substitution des éléments halogénures). Cette découverte constitue une avancée considérable dans les technologies basées sur des nanocristaux de pérovskites. Auparavant, ces nanocristaux devaient être produits exclusivement dans l’atmosphère sèche d’un laboratoire, car les pérovskites elles-mêmes sont extrêmement sensibles aux conditions ambiantes, notamment à l’exposition à l’air, à l’humidité et à la lumière. En sus de la fabrication plus aisée, la protection par le MOF assure une stabilité à long terme et des propriétés mécaniques remarquables, ouvrant la voie à de futures applications dans les technologies d’écran. Ces avancées permettront potentiellement de fabriquer des écrans en verre présentant une meilleure résistance mécanique, mais aussi une qualité d’image cristalline. Ces travaux sont publiés dans la revue Science.
Cette étude est le fruit d’une collaboration internationale menée par le Dr Jingwei Hou et le Prof. Lianzhou Wang (UQ), le Prof. Thomas D. Bennet (U. de Cambridge, R.-U.), et le Prof. Sean M. Collins (U. de Leeds, R.-U.), incluant des physiciens du Laboratoire de Physique des Solides (LPS). La production de ces nouveaux composites et la compréhension de leurs propriétés ont été possibles grâce à la combinaison des techniques expérimentales de chaque partenaire. Les composites ont d’abord été conçus et produits à l’UQ et caractérisés par des méthodes macroscopiques pour identifier la présence des pérovskites dans les MOFs, leur spectre d’émission global et leur efficacité quantique par photoluminescence (Figure, en haut à gauche). Ensuite, des mesures microscopiques ont été utilisées au Royaume-Uni pour identifier et confirmer la présence de cristaux nanométriques de CsPbX3 dans le MOF (Figure, en haut à droite). Enfin, la catholuminescence a été utilisée au LPS dans un microscope électronique à transmission à balayage (ChromaTEM du projet TEMPOS) pour prouver que la lumière était effectivement émise par des cristaux individuels à l’échelle nanométrique (Figure, en bas).
Figure. Les pérovskites hybrides à base d’halogénure de plomb et les composites à structure organométallique présentent une stabilité et une efficacité d’émission de lumière remarquables (en haut à gauche). La diffraction électronique à l’échelle nanométrique dans un microscope électronique à transmission à balayage (STEM) permet d’identifier la phase des nanocristaux individuels de CsPbX3 (en haut à droite). Enfin, la cathodoluminescence (CL, en bas) sur un STEM démontre que la lumière provient de nanocristaux individuels ayant tous un spectre d’émission très similaire.
Référence
Liquid-phase sintering of lead halide perovskites and metal-organic framework glasses
J. Hou, P. Chen, A. Shukla, A. Krajnc, T. Wang, X. Li, R. Doasa, L. H. G. Tizei, et al.
Science, 2021, 374, 621-625
doi: 10.1126/science.abf4460
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Luiz Galvao-Tizei
