LED et lasers – Une nouvelle compréhension des pérovskites pourrait bouleverser les indicateurs de performance

Les scientifiques étudient de plus près la pérovskite pour mieux comprendre ce matériau, qui a de vastes applications dans l'électronique, le stockage d'énergie, les lasers, l'optoélectronique, les capteurs de glucose, etc. Mais qu'est-ce que c'est exactement ?

La perovskite est un minéral naturel composé de calcium, de titane et d'oxygène dont la structure cristalline est CaTiO₃ ou dont la formule est ABX3. Elle a été découverte pour la première fois en 1839 en Russie. Une classe de matériaux ayant la même structure cristalline que le minéral perovskite est également connue sous le nom de matériaux perovskites.

Source: Fabre Minéraux

Les propriétés physiques exceptionnelles de la pérovskite, telles que son comportement ferroélectrique, diélectrique, piézoélectrique et pyroélectrique, ainsi que ses propriétés chimiques, notamment son activité catalytique et sa capacité de transport d'oxygène, en font l'une des classes de structures les plus importantes de la science des matériaux. Elles constituent donc un candidat potentiel pour des applications dans les piles à combustible, les dispositifs de mémoire et le photovoltaïque.

Ils peuvent également être utilisés dans les cellules solaires pour convertir la lumière du soleil en électricité, ainsi que pour l’acquisition d’énergie propre et la dégradation des polluants organiques.

Étant donné la diversité des industries dans lesquelles la pérovskite peut potentiellement contribuer à faire progresser les choses, il est logique que les scientifiques tentent de mieux la comprendre.

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Comprendre la pérovskite au niveau atomique pour un meilleur contrôle

Des chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord, avec le soutien de la National Science Foundation, ont découvert un moyen de créer des pérovskites hybrides en couches (LHP) en les étudiant au niveau moléculaire.

Cette avancée permet un contrôle sans précédent des propriétés d'émission lumineuse des LHP et pourrait conduire à des avancées significatives dans les technologies laser et LED. Elle est également prometteuse pour la conception d'autres matériaux destinés aux dispositifs photovoltaïques.

Les pérovskites hybrides stratifiées (LHP), selon la Une étude, sont apparus comme des semi-conducteurs prometteurs pour les applications énergétiques et photoniques de nouvelle génération. Ici, le contrôle de la distribution, de la taille et de l'orientation des puits quantiques (QW) est extrêmement important.

Les LHP sont constitués de feuilles très fines de matériau semi-conducteur à base de pérovskite. Ces feuilles sont séparées les unes des autres par de fines couches organiques « d'espacement ».

Étant donné que ces films minces composés de plusieurs feuilles de pérovskite et de couches « d’espacement » peuvent convertir efficacement la charge électrique en lumière, les LHP suscitent depuis des années un intérêt considérable de la communauté scientifique. Cependant, les connaissances sur la manière de les concevoir pour contrôler leurs caractéristiques de performance sont encore limitées.

Pour les comprendre, il faut commencer par les puits quantiques, qui sont des feuilles de matériau semi-conducteur coincées entre des couches « d'espacement ».

Ce sont les couches qui se forment dans les LHP. Et un puits quantique de deux atomes d'épaisseur a une énergie plus élevée que celui de cinq atomes d'épaisseur.

Étant donné que l’énergie circule des structures à haute énergie vers les structures à basse énergie au niveau moléculaire, nous devons disposer de puits quantiques de trois et quatre atomes d’épaisseur entre les puits quantiques de deux et cinq atomes d’épaisseur, permettant à l’énergie de circuler efficacement.

« Il faut essentiellement une pente progressive sur laquelle l’énergie peut se propager. »

– Kenan Gundogdu, co-auteur de l’article et professeur de physique à l’Université d’État de Caroline du Nord

Cependant, l'étude des LHP a régulièrement révélé une anomalie : la distribution de la taille des puits quantiques dans un échantillon de LHP, observée par diffraction des rayons X, diffère de celle détectée par spectroscopie optique.

Aram Amassian, auteur correspondant de l'article et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université d'État de Caroline du Nord, a illustré comment la diffraction peut indiquer que les puits quantiques ont une épaisseur de deux atomes et font partie d'un cristal massif tridimensionnel. Parallèlement, la spectroscopie peut révéler que les puits quantiques ont une épaisseur de deux, trois et quatre atomes, en plus de la présence de la phase massive tridimensionnelle.

L'équipe s'est donc mise en quête de réponses : pourquoi existe-t-il une telle déconnexion entre les deux et comment la taille et la distribution des puits quantiques dans les LHP peuvent-elles être contrôlées ?

Grâce à des expériences, l'équipe a découvert que les nanoplaquettes (NPL) étaient l'acteur clé. Les NPL sont des feuilles individuelles de matériau perovskite qui se forment spontanément à la surface de la solution que les chercheurs ont utilisée pour créer les LHP.

« Nous avons découvert que ces nanoplaquettes servent essentiellement de modèles pour les matériaux stratifiés qui se forment sous elles », a déclaré Amassian, notant que l'épaisseur atomique des nanoplaquettes dicte l'épaisseur du LHP en dessous.

Cependant, les nanoplaquettes ne sont pas stables et leur épaisseur continue de croître, ajoutant de nouvelles couches d'atomes au fil du temps.

« Finalement, la nanoplaquette devient si épaisse qu’elle devient un cristal tridimensionnel. »

– Amassien

Ainsi, l'anomalie était due à la diffraction détectant l'empilement de feuillets mais pas les nanoplaquettes, alors que la spectroscopie optique détecte des feuillets isolés. Il a ajouté :

« Ce qui est passionnant, c'est que nous avons découvert que nous pouvons essentiellement arrêter la croissance des nanoplaquettes de manière contrôlée, en ajustant essentiellement la taille et la distribution des puits quantiques dans les films LHP. »

Ce faisant, les chercheurs peuvent atteindre de superbes cascades d’énergie, essentielles pour une reproductibilité élevée, un seuil bas et une photostabilité ambiante.

Cela signifie que le matériau est rapide et très efficace pour canaliser les charges et l'énergie aux fins des applications laser et LED.

Les nanoplaquettes jouant un rôle essentiel dans la formation de couches de pérovskite dans les LHP, les chercheurs ont voulu voir si les NPL pouvaient être utilisées pour concevoir la structure et les propriétés d'autres matériaux pérovskites, notamment ceux utilisés dans les cellules solaires et d'autres technologies photovoltaïques.

« Nous avons découvert que les nanoplaquettes jouent un rôle similaire dans d’autres matériaux à base de pérovskite et peuvent être utilisées pour concevoir ces matériaux afin d’améliorer la structure souhaitée, améliorant ainsi leurs performances photovoltaïques et leur stabilité. »

– Milad Abolhasani, co-auteur et professeur ALCOA de génie chimique et biomoléculaire à l'Université d'État de Caroline du Nord

L'équipe a donc exploité les NLP pour contrôler l'orientation des facettes des pérovskites 3D et améliorer la stabilité et l'efficacité des cellules solaires à large bande interdite.

Utilisation de simulations informatiques pour une compréhension détaillée des pérovskites

Cellules solaires, ou cellules photovoltaïques (PV), gagnent en popularité grâce à leurs avantages environnementaux. Après tout, l'énergie solaire est propre, renouvelable et ne produit pas d'émissions de gaz à effet de serre. De plus, la lumière du soleil est disponible en quantité illimitée, ce qui la rend facile à exploiter grâce aux cellules solaires.

De plus, leur coût a considérablement diminué, jusqu'à 70 % depuis 2010, ce qui les rend abordables. Les progrès technologiques ont encore amélioré leurs performances et leur durée de vie.

Avec cela, le marché mondial des cellules solaires devrait atteindre 730.74 milliards de dollars au cours de la prochaine décennie.

Une cellule solaire est un dispositif qui convertit directement la lumière du soleil en électricité. Pour cela, elle utilise des matériaux comme le silicium, mais les scientifiques recherchent des matériaux plus efficaces et plus stables, et les perovskites sont considérées comme une alternative prometteuse.

Les scientifiques travaillent depuis un certain temps sur la technologie solaire à base de pérovskite et les progrès réalisés ont permis de battre des records d'efficacité. Dans les cellules solaires, les pérovskites fonctionnent de concert avec le silicium pour exploiter davantage le spectre solaire et, par conséquent, générer plus d'électricité par cellule.

Désormais, grâce à des simulations informatiques et à l’apprentissage automatique, les chercheurs de l’Université de technologie Chalmers en Suède ont pu acquérir de nouvelles connaissances sur le fonctionnement des matériaux perovskites afin de concevoir des dispositifs optoélectroniques efficaces et stables.

L’apprentissage automatique gagne beaucoup de terrain dans la communauté scientifique, car les chercheurs l’utilisent pour étudier des systèmes plus grands que ce qui était auparavant possible avec les méthodes standard et sur une période plus longue.

L’équipe de recherche a donc étudié une série de matériaux perovskites 2D, qui sont plus stables que ceux 3D.

Ils ont cartographié le matériau à l'aide de simulations informatiques, puis l'ont soumis à différents scénarios pour obtenir une idée précise des résultats obtenus lors d'une expérience. L'équipe a pu obtenir une vue d'ensemble beaucoup plus large et détaillée qu'auparavant, ce qui est particulièrement important ici, car dans les couches très fines de ce matériau, chaque couche se comporte différemment, ce qui est extrêmement difficile à détecter expérimentalement.

Le professeur Paul Erhart, membre de l’équipe de recherche, les a aidés à obtenir « une bien meilleure compréhension du fonctionnement des pérovskites 2D ».

Dans les matériaux perovskites 2D, il existe des couches inorganiques empilées les unes sur les autres et séparées par des molécules organiques.

« Nous avons découvert qu'il est possible de contrôler directement le mouvement des atomes des couches superficielles grâce au choix des liants organiques et à l'impact de ces derniers sur les mouvements atomiques en profondeur dans les couches de pérovskite. Ce mouvement étant crucial pour les propriétés optiques, il s'agit d'un effet domino. »

– Paul Erhart

Cette découverte considérable, selon le co-auteur, permet de comprendre d’où vient la stabilité des matériaux perovskites 2D.

« (Cela peut aider à prédire) quels éléments de liaison et quelles dimensions peuvent rendre le matériau à la fois plus stable et plus efficace. »

– Julia Wiktor, co-auteure

Dans l’étape suivante, l’équipe « passera à des systèmes encore plus complexes et, en particulier, à des interfaces fondamentales pour le fonctionnement des appareils », a ajouté Wiktor.

Progrès dans les technologies laser et LED

De nombreux développements ont été réalisés dans le domaine des pérovskites grâce à leur vaste potentiel dans plusieurs domaines de haute technologie, notamment la production d'énergie propre via des cellules solaires, des dispositifs optoélectroniques tels que des photodétecteurs et des capteurs, et des dispositifs de mémoire.

Plus important encore, les progrès dans la compréhension des matériaux perovskites et la recherche sur les LHP peuvent changer la donne pour les appareils laser de nouvelle génération, où la précision et l’efficacité sont les plus importantes, et la technologie LED, qui a des implications pour les écrans, l’éclairage et les technologies d’affichage avancées.

En affinant ces matériaux, nous pouvons obtenir des lasers plus efficaces avec une photostabilité accrue et des LED haute luminosité avec une consommation d’énergie réduite.

Dans le monde de la technologie en évolution rapide, les lasers et les LED sont devenus des composants fondamentaux dans un large éventail d’industries : communications, dispositifs médicaux, fabrication et éclairage économe en énergie.

En termes simples, ces technologies ont transformé notre façon d’interagir avec le monde moderne. Les dernières avancées dans l’utilisation des perovskites et des structures à puits quantiques ne sont qu’un des nombreux domaines que les scientifiques explorent pour faire progresser la technologie laser et LED.

Voici quelques avancées récentes dans les technologies laser et LED :

Les diodes laser promettent un coût réduit, un rendement lumineux plus élevé, une meilleure distance de faisceau et une meilleure efficacité. En raison de ces avantages, elles deviennent un élément essentiel du stockage de données optiques. La miniaturisation des diodes laser a également conduit à des avancées dans les systèmes LiDAR pour les véhicules autonomes.

Les lasers ultrarapides émettent des impulsions de l'ordre de la femtoseconde, soit un quadrillionnième de seconde. Ils permettent un traitement précis des matériaux sans provoquer de dommages thermiques et sont de plus en plus utilisés dans les interventions médicales et la recherche scientifique, notamment pour étudier les phénomènes moléculaires et atomiques.

En intégrant l’apprentissage automatique, l’IA et les capteurs, des lasers plus avancés sont créés qui fonctionnent de manière autonome, augmentent l’efficacité et sont plus précis.

L'impression 3D au laser, qui consiste à utiliser une source laser pour fusionner sélectivement des matériaux et créer des objets complexes, est une autre tendance majeure dans le domaine de la technologie laser. Dans la fabrication additive, les lasers à fibre, en particulier, gagnent en popularité grâce à leur puissance élevée, leur efficacité et leur capacité à délivrer un faisceau sur de longues distances avec une perte minimale.

Les lasers sont également de plus en plus utilisés pour la gravure. Pour cela, on utilise toutes sortes de lasers, des lasers à fibre, au CO2 et au cristal aux lasers à diode et aux lasers à solide pompés par diode. Dans un cas, des chercheurs de l'université Flinders ont modifié des surfaces avec des lasers de faible puissance, qui nécessitent généralement des lasers de grande puissance coûteux pour le stockage des données.

Dans une autre étude, nous avons rapporté que des chercheurs ont exposé un matériau non magnétique à un rayonnement laser à haute fréquence pour produire un effet magnétique à température ambiante, ce qui a le potentiel d’ouvrir la voie à des ordinateurs plus économes en énergie et plus rapides et de révolutionner l’électronique.

Les nouveaux appareils laser sont devenus si perfectionnés qu'ils peuvent désormais analyser la peau d'une personne en temps réel. Ils permettent en outre de cibler avec précision des zones spécifiques. Le laser holmium (YAG), qui est l'un des lasers les plus remarquables dans le domaine de l'urologie, a récemment été amélioré avec technologie de modulation d'impulsionsCette nouvelle technologie permet à la fois des modes pulsés et continus.

L’évolution des lasers nous a également donné les microlasers, qui sont hautement personnalisables et offrent un fort confinement optique et des interactions lumière-matière améliorées.

Dans le domaine des LED, la durée de vie a considérablement augmenté, ce qui contribue aux économies d’énergie.

L'application de la technologie LED gagne particulièrement du terrain dans l'éclairage automobile, où leur visibilité, leur efficacité énergétique et leur durabilité améliorées renforcent la sécurité. Parallèlement, dans l'éclairage public, les LED offrent un éclairage plus lumineux et des économies d'énergie significatives.

La nanotechnologie montre ici qu'elle peut avoir un impact significatif sur l'efficacité des LED. Les points quantiques sont des cristaux extrêmement petits qui contiennent des propriétés uniques qui peuvent être réglées pour émettre de la lumière sur tout le spectre de visibilité, offrant ainsi davantage d'options de couleur. Les LED QD offrent une précision des couleurs et une luminosité améliorées et, à ce titre, sont de plus en plus répandues dans les téléviseurs et les moniteurs.

Les versions plus petites des LED traditionnelles, mini et micro-LED, quant à elles, permettent une résolution plus élevée, un meilleur contraste et une meilleure efficacité énergétique des écrans. Elles sont intégrées dans les téléviseurs de nouvelle génération, les appareils AR/VR et les téléphones mobiles pour offrir une luminosité et une luminosité bien meilleures. temps de réponse que les OLED.

En intégrant des capteurs et des fonctionnalités de connectivité dans les LED, les chercheurs créent également des systèmes d'« éclairage intelligent » qui ajustent la luminosité, la couleur et la synchronisation en fonction des préférences de l'utilisateur ou des conditions environnementales.

Les entreprises qui mènent la charge

Examinons maintenant les opportunités d’investissement potentielles dans les domaines en évolution rapide des lasers, des LED et de l’énergie propre, qui pourraient tous bénéficier des avancées dans les matériaux à base de pérovskite.

First Solar (FSLR + 3.68%) est un leader de la technologie solaire dont l'activité se concentre sur les solutions photovoltaïques (PV) à couches minces. Avec des actions négociées à 207.75 $, en hausse de 19.35 % depuis le début de l'année, sa capitalisation boursière est de 22 milliards de dollars. Au deuxième trimestre 2, la société a déclaré un chiffre d'affaires de 24 milliard de dollars tandis que le bénéfice net a plus que doublé pour atteindre 1.01 millions de dollars. À l'époque, le PDG Mark Widmar avait déclaré que les entreprises solaires étaient confrontées à des restrictions d'accès au capital, les investisseurs attendant que la politique devienne plus claire pour prendre des décisions de financement.

Par ailleurs, Lumentum Holdings (LITE + 5.05%) est spécialisée dans la conception et la fabrication de lasers pour les communications, le commerce et l'industrie. Cette société, dont la capitalisation boursière est de 4.7 milliards de dollars, a vu son action progresser de 31.21 % depuis le début de l'année, à 69.43 dollars.

Ensuite, il y a Acuity Brands, Inc. (AYI -0.41%), leader des systèmes d'éclairage LED. Cette société, dont la capitalisation boursière est de 9.38 milliards de dollars, a vu son action progresser de 48.9 % et s'échange actuellement à 305 dollars.

Examinons maintenant de plus près l’un des acteurs les plus performants du secteur.

Cohérent, Inc. (COHR + 6.75%)

Acteur majeur dans le domaine des technologies laser, Coherent fournit des lasers pour une large gamme d'applications, notamment le traitement des matériaux, l'électronique et la biomédecine. Ses actions ont grimpé de plus de 132 % cette année ; jusqu'à présent, elle s'échange à 105.10 $, ce qui porte sa capitalisation boursière à 15.6 milliards de dollars. Son BPA (TTM) est de -1.85 et son PER (TTM) de -54.79.

Pour son quatrième trimestre fiscal, la société rapporté 1.314 milliard de dollars de chiffre d'affaires et 4.708 milliards de dollars pour l'exercice clos le 30 juin 2024, avec des marges brutes GAAP de 32.9 % et 30.9 %, respectivement. Selon Rich Martucci, directeur financier par intérim, cette croissance a été « principalement tirée par la force continue liée à l'IA dans notre activité d'émetteurs-récepteurs Datacom ».

Récemment, l'entreprise introduit une nouvelle série de lasers à onde continue (CW) à rétroaction distribuée (DFB) hautement efficaces, conçus pour offrir une efficacité énergétique supérieure de 15 % aux normes de l'industrie. Ces lasers répondent à la demande de bande passante croissante requise par les centres de données axés sur l'IA. Plus tôt cette année, Coherent a également lancé un laser picoseconde industriel HyperRapid NXT qui permet la fabrication ultraprécise de cellules solaires à couches minces.

Conclusion

Les matériaux perovskites sont extrêmement précieux en raison de leur efficacité, de leur rentabilité, de leur flexibilité, de leur finesse, de leur mobilité et de leur capacité d'absorption de la lumière. Ainsi, une meilleure compréhension plus approfondie de ces matériaux, qui progresse à un rythme rapide, peut nous aider à ouvrir de nouvelles possibilités pour les technologies laser et LED de nouvelle génération.

En contrôlant la structure et le comportement des puits quantiques, les chercheurs ouvrent la voie à un transfert d’énergie plus efficace, à une plus grande stabilité et à des propriétés électroluminescentes améliorées. Ces avancées peuvent positionner les pérovskites comme des acteurs de premier plan dans de nombreux secteurs et, à mesure que la recherche se poursuit, elles ont le potentiel de révolutionner l’énergie propre, les technologies d’affichage et les applications laser, en faisant d’elles le centre de la science des matériaux.

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