Cette illustration montre des polarons — des distorsions fugaces dans le réseau atomique d’un matériau — tels que ceux observés par des chercheurs du Laboratoire national de l’accélérateur SLAC (États-Unis) dans une pérovskite hybride au plomb. © Greg Stewart, Laboratoire national de l’accélérateur SLAC
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Des polarons ont été observés pour la première fois

ActualitéClassé sous :Physique , polaron , distorsion

Pour la première fois, des physiciens ont pu observer comment se forment et évoluent des polarons. Des polarons ? Ce sont des distorsions fugaces dans le réseau atomique d'un matériau et qui apparaissent en parallèle des déplacements d'électrons. Des distorsions qui pourraient expliquer l'efficacité des pérovskites comme matériaux pour les cellules solaires. 

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Autour d'un électron en mouvement au cœur d'un matériau, il se forme des distorsions extrêmement éphémères -- qui se maintiennent sur des durées de l'ordre du trillionième de seconde seulement -- dans le réseau atomique. Des polarons, comme les appellent les physiciens. Et ces polarons peuvent affecter le comportement du matériau dans lequel ils apparaissent. Ils sont notamment suspectés d'être à l'origine de l'efficacité des cellules pérovskites à convertir l'énergie solaire en courant électrique.

C'est pourquoi des chercheurs du Laboratoire national de l’accélérateur SLAC (États-Unis) ont décidé de mobiliser un puissant laser rayons X à électrons libres pour observer et mesurer, pour la première fois, la formation de tels polarons dans des pérovskites hybrides au plomb. Celui-ci permet en effet de capturer les mouvements se produisant en millionième de milliardième de seconde. Ils sont ainsi parvenus à déterminer les tailles et les formes des polarons dans des monocristaux de pérovskites, et à suivre leur évolution.

« Lorsque vous frappez le matériau avec de la lumière [ici, un laser optique], comme ce qui se passe dans une cellule solaire, des électrons sont libérés et ils commencent à se déplacer, explique Burak Guzelturk, chercheur, dans un communiquéRapidement, ils sont enveloppés par une sorte de bulle de distorsion locale qui les accompagne. » Les fameux polarons qui pourraient les protéger de la dispersion des défauts du matériau, les aidant à se déplacer avec plus d'efficacité.

Des polarons plus grands que ne le pensaient les chercheurs

C'est la structure flexible et molle du réseau de pérovskite hybride qui permet aux polarons de se former et de se développer. Les observations des chercheurs du Laboratoire national de l'accélérateur SLAC révèlent que ces distorsions commencent à l'échelle de quelques angströms -- des longueurs de l'ordre de l'espacement entre les atomes dans un solide. Elles grossissent ensuite rapidement dans toutes les directions jusqu'à atteindre un diamètre d'environ 5 milliardièmes de mètre.

Cette multiplication par 50 de la taille du polaron pousse environ dix couches d'atomes vers l'extérieur. Le tout en quelques dizaines de picosecondes« Ces distorsions atteignent des dimensions plus grandes que ce que nous attendions », commente Aaron Lindenberg, physicien à l'université de Stanford.

Il reste encore du travail

L'expérience menée par les chercheurs du Laboratoire national de l'accélérateur SLAC démontre de manière directe, l'existence des polarons. « Mais elle ne nous explique pas encore comment ils contribuent à l'efficacité d'une cellule solaire. Il reste encore du travail à faire pour comprendre comment ces processus affectent les propriétés des matériaux », conclut le physicien.

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