LEDs et lasers – Une nouvelle compréhension des pérovskites pourrait bouleverser les métriques de performance

Les scientifiques approfondissent leurs recherches sur le pérovskite afin de mieux comprendre ce matériau, qui possède de vastes applications couvrant l’électronique, le stockage d’énergie, les lasers, l’optoélectronique, les capteurs de glucose, et bien plus encore. Mais qu’est‑ce exactement ?

Le pérovskite est un minéral naturel composé de calcium, de titane et d’oxygène, possédant la structure cristalline CaTiO₃ ou la formule ABX₃. Il a été découvert pour la première fois en 1839 en Russie. Une classe de matériaux partageant la même structure cristalline que le minéral pérovskite est également appelée matériaux pérovskites.

Source: Fabre Minerals

Les propriétés physiques exceptionnelles telles que le comportement ferroélectrique, diélectrique, piézoélectrique et pyélectrique ainsi que les propriétés chimiques, incluant l’activité catalytique et la capacité de transport d’oxygène du pérovskite, en font l’une des classes de structures les plus importantes en science des matériaux. Cela les rend candidats potentiels pour des applications dans les piles à combustible, les dispositifs de mémoire et les photovoltaïques.

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

Étant donné le nombre de secteurs différents que le pérovskite peut potentiellement faire progresser, il est logique que les scientifiques cherchent à mieux le comprendre.

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Comprendre le pérovskite au niveau atomique pour un meilleur contrôle

Researchers from North Carolina State University, with support from the National Science Foundation, have discovered a way to create layered hybrid perovskites (LHPs) by studying them at the molecular level.

Cette percée permet un contrôle sans précédent des propriétés d’émission lumineuse des LHP et peut conduire à des avancées significatives dans les technologies laser et LED. Elle offre également des perspectives pour l’ingénierie d’autres matériaux destinés aux dispositifs photovoltaïques.

Les pérovskites hybrides en couches (LHP), selon la recherche, sont apparus comme des semi‑conducteurs prometteurs pour les applications énergétiques et photoniques de prochaine génération. Ici, contrôler la distribution, la taille et l’orientation des puits quantiques (QW) est extrêmement important.

Les LHP sont constitués de feuilles très fines de matériau semi‑conducteur pérovskite. Ces feuilles sont séparées les unes des autres par de minces couches organiques « spacer ».

Étant donné que ces films minces composés de multiples feuilles de pérovskite et de couches « spacer » peuvent convertir efficacement la charge électrique en lumière, les LHP suscitent depuis des années un grand intérêt au sein de la communauté de recherche. Cependant, la compréhension de la manière de les concevoir pour contrôler leurs caractéristiques de performance reste limitée.

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

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

Comme l’énergie s’écoule des structures à haute énergie vers les structures à basse énergie au niveau moléculaire, nous devons disposer de puits quantiques d’une à quatre atomes d’épaisseur entre les puits de deux et cinq atomes, permettant ainsi à l’énergie de circuler efficacement.

“Vous voulez essentiellement avoir une pente progressive que l’énergie peut descendre.”

– Kenan Gundogdu, co‑auteur de l’article et professeur de physique à NC State

Cependant, les chercheurs ont rencontré une anomalie lors de l’étude des LHP. L’anomalie concerne la distribution de taille des puits quantiques dans un échantillon de LHP observée par diffraction des rayons X, qui diffère de ce qui est détecté par spectroscopie optique.

Aram Amassian, auteur correspondant de l’article et professeur de science et génie 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 3D. En revanche, la spectroscopie révèle que les puits quantiques mesurent deux, trois et quatre atomes d’épaisseur, en plus de la présence de la phase massive tridimensionnelle.

Le groupe a donc cherché des réponses : pourquoi ce décalage entre les deux méthodes, et comment contrôler la taille et la distribution des puits quantiques dans les LHP ?

Grâce à des expériences, l’équipe a découvert que les nanoplaquettes (NPL) étaient les acteurs clés. Les NPL sont des feuilles individuelles de matériau pérovskite qui se forment spontanément à la surface de la solution utilisée pour créer les LHP.

« Nous avons constaté que ces nanoplaquettes servent essentiellement de modèles pour les matériaux en couches qui se forment sous elles », a déclaré Amassian, soulignant que l’épaisseur atomique des nanoplaquettes détermine l’épaisseur du LHP qui se trouve 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 se transforme en cristal tridimensionnel.”

– Amassian

L’anomalie était donc due au fait que la diffraction détectait l’empilement des feuilles mais pas les nanoplaquettes, tandis que la spectroscopie optique détectait les feuilles isolées. 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, ajustant ainsi la taille et la distribution des puits quantiques dans les films LHP.”

En procédant ainsi, les chercheurs peuvent obtenir d’excellentes cascades d’énergie, essentielles pour une haute reproductibilité, un seuil bas et une photostabilité ambiante.

Cela se traduit par un matériau rapide et hautement efficace pour canaliser les charges et l’énergie à des fins d’applications laser et LED.

Avec les nanoplaquettes jouant un rôle crucial dans la formation des couches de pérovskite dans les LHP, les chercheurs ont étudié si les NPL pouvaient être utilisées pour concevoir la structure et les propriétés d’autres matériaux pérovskites, y compris ceux employés dans les cellules solaires et autres technologies photovoltaïques.

“Nous avons découvert que les nanoplaquettes jouent un rôle similaire dans d’autres matériaux pérovskites et peuvent être utilisées pour les concevoir afin d’améliorer la structure souhaitée, augmentant leurs performances photovoltaïques et leur stabilité.”

– Milad Abolhasani, co‑auteur et professeur ALCOA de génie chimique et biomoléculaire à NC State

Ainsi, l’équipe a exploité les NPL pour contrôler l’orientation des facettes des pérovskites 3D et améliorer la stabilité et l’efficacité des cellules solaires à large bande interdite.

Utiliser des simulations informatiques pour une compréhension détaillée des pérovskites

Les cellules solaires, ou cellules photovoltaïques (PV), gagnent en popularité grâce à leurs avantages environnementaux. L’énergie solaire est, après tout, propre, renouvelable et ne produit pas d’émissions de gaz à effet de serre. La lumière du soleil est également disponible en quantités illimitées, ce qui facilite son exploitation avec les cellules solaires.

De plus, leurs coûts ont fortement baissé, jusqu’à 70 % depuis 2010, ce qui les rend abordables. Les avancées technologiques ont en outre amélioré leurs performances et leur durée de vie.

Dans ce contexte, le marché mondial des cellules solaires devrait atteindre $730.74 billion au cours de la prochaine décennie.

Une cellule solaire est essentiellement 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 pérovskites sont perçus comme une alternative prometteuse.

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

Aujourd’hui, grâce aux simulations informatiques et à l’apprentissage automatique, des chercheurs de l’Université technique de Chalmers en Suède ont pu obtenir de nouvelles connaissances sur le fonctionnement des matériaux pérovskites afin de concevoir des dispositifs optoélectroniques efficaces et stables.

L’apprentissage automatique suscite un grand engouement dans la communauté scientifique, les chercheurs l’utilisant pour étudier des systèmes plus vastes que ceux accessibles auparavant avec les méthodes classiques, et ce, sur des périodes plus longues.

Ainsi, l’équipe de recherche a étudié une série de matériaux pérovskites 2D, qui sont plus stables que leurs homologues 3D.

Ils ont modélisé le matériau dans des simulations informatiques, puis l’ont soumis à différents scénarios afin d’obtenir une vision détaillée de ce qui a conduit aux résultats expérimentaux. L’équipe a pu obtenir une vue beaucoup plus large et détaillée qu’auparavant, ce qui est particulièrement important ici parce que, 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 pérovskites 2D, il existe des couches inorganiques empilées les unes sur les autres et séparées par des molécules organiques.

“Ce que nous avons découvert, c’est que l’on peut contrôler directement la façon dont les atomes des couches de surface se déplacent grâce au choix des liaisons organiques et à la manière dont cela influence les mouvements atomiques au cœur des couches de pérovskite. Comme ce mouvement est crucial pour les propriétés optiques, c’est un effet domino.”

– Paul Erhart

Cette compréhension considérable, selon la co‑auteure, offre la possibilité de comprendre d’où provient la stabilité des matériaux pérovskites 2D.

“(Cela peut aider à prédire) quelles liaisons et quelles dimensions peuvent rendre le matériau à la fois plus stable et plus efficace simultanément.”

– Co‑auteur Julia Wiktor

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

Avancées dans les technologies laser et LED

Il y a eu de nombreux développements dans les pérovskites grâce à leur vaste potentiel dans plusieurs domaines de haute technologie, notamment la génération d’énergie propre via les cellules solaires, les dispositifs optoélectroniques tels que les photodétecteurs et les capteurs, ainsi que les dispositifs de mémoire.

Plus important encore, la compréhension accrue des matériaux pérovskites et la recherche sur les LHP pourraient changer la donne pour les dispositifs laser de prochaine génération, où la précision et l’efficacité sont primordiales, ainsi que pour la technologie LED, qui a des implications pour les écrans, l’éclairage et les technologies d’affichage avancées.

En ajustant ces matériaux, nous pouvons obtenir des lasers plus efficaces avec une photostabilité accrue et des LEDs à haute luminosité consommant moins d’énergie.

Dans le monde technologique en évolution rapide, les lasers et les LEDs sont devenus des composants fondamentaux dans une grande variété d’industries : communications, dispositifs médicaux, fabrication et éclairage à haute efficacité énergétique.

En termes simples, ces technologies ont transformé notre interaction avec le monde moderne. Les dernières percées dans l’utilisation des pérovskites 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 des coûts réduits, une puissance lumineuse plus élevée, une meilleure portée du faisceau et une plus grande efficacité. En raison de ces avantages, elles deviennent un composant crucial 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, quant à eux, émettent des impulsions dans la gamme des femtosecondes, soit un quadrillionième de seconde. Cela permet un traitement précis des matériaux sans causer de dommages thermiques et, de ce fait, ils sont de plus en plus utilisés dans les chirurgies médicales et la recherche scientifique, notamment pour étudier les phénomènes à l’échelle moléculaire et atomique.

En intégrant l’apprentissage automatique, l’IA et les capteurs, des lasers plus avancés sont créés, fonctionnant de manière autonome, augmentant l’efficacité et la précision.

L’impression 3D assistée par laser, où une source laser est utilisée pour fusionner sélectivement des matériaux et créer des objets complexes, constitue une autre tendance majeure dans le domaine de la technologie laser. En fabrication additive, les lasers à fibre, en particulier, gagnent en popularité grâce à leur haute puissance, leur efficacité et leur capacité à délivrer un faisceau sur de longues distances avec des pertes minimales.

Les lasers sont également de plus en plus employés pour le gravure. À cette fin, toutes sortes de lasers, des lasers à fibre, CO₂ et cristaux aux lasers à diode et aux lasers à état solide pompés par diode, sont utilisés. Dans un cas, des chercheurs de l’Université de Flinders ont modifié des surfaces avec des lasers à faible puissance — qui nécessitent habituellement des lasers coûteux et à haute puissance pour le stockage de données.

Dans une autre étude, nous avons rapporté que des chercheurs ont exposé un matériau non magnétique à des radiations laser à haute fréquence, produisant un effet magnétique à température ambiante, ce qui pourrait ouvrir la voie à des ordinateurs plus économes en énergie et plus rapides, révolutionnant ainsi l’électronique.

Les nouveaux dispositifs laser sont devenus si avancés qu’ils peuvent désormais analyser la peau d’une personne en temps réel. Ils permettent également de cibler précisément des zones spécifiques. Le laser holmium (YAG), l’un des lasers les plus notables dans le domaine de l’urologie, a récemment été amélioré grâce à la technologie de modulation d’impulsions. Cette nouvelle technologie autorise à la fois des modes impulsés et continus.

L’évolution des lasers nous a également donné les microlasers, hautement personnalisables et offrant une forte confinement optique ainsi que des interactions lumière‑matière renforcées.

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

L’application de la technologie LED gagne particulièrement du terrain dans l’éclairage automobile, où leur visibilité améliorée, leur efficacité énergétique et leur durabilité renforcent la sécurité. Parallèlement, dans l’éclairage public, les LED offrent une illumination plus brillante et des économies d’énergie significatives.

Ici, la nanotechnologie montre son potentiel pour impacter fortement l’efficacité des LED. Les points quantiques sont des cristaux extrêmement petits qui possèdent des propriétés uniques pouvant être réglées pour émettre de la lumière sur tout le spectre visible, offrant davantage d’options de couleur. Les QD‑LED offrent une précision de couleur et une luminosité accrues et, de ce fait, deviennent courantes dans les téléviseurs et les moniteurs.

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

En intégrant des capteurs et des fonctions de connectivité aux LED, les chercheurs créent également des systèmes d’éclairage « intelligent » qui ajustent la luminosité, la couleur et le timing en fonction des préférences de l’utilisateur ou des conditions environnementales.

Entreprises leaders du secteur

Now, let’s take a look at potential investment opportunities in the rapidly advancing fields of lasers, LEDs, and clean energy, all of which could benefit from the breakthroughs in perovskite materials.

First Solar (FSLR ) est un leader de la technologie solaire dont l’accent est mis sur les solutions photovoltaïques (PV) à couche mince. Avec ses actions cotées à 207,75 $, en hausse de 19,35 % depuis le début de l’année, sa capitalisation boursière s’élève à 22 milliards de dollars. Au 2T24, l’entreprise a déclaré 1,01 milliard de dollars de ventes tandis que le bénéfice net a plus que doublé pour atteindre 349,4 millions de dollars. À ce moment, le PDG Mark Widmar a indiqué que les entreprises solaires faisaient face à des restrictions d’accès au capital, les investisseurs attendant que la politique devienne plus claire afin de prendre des décisions de financement.

Parallèlement, Lumentum Holdings (LITE ) conçoit et fabrique des lasers pour les communications, les applications commerciales et industrielles. Cette entreprise de 4,7 milliards de dollars de capitalisation voit ses actions augmenter de 31,21 % depuis le début de l’année, se négociant à 69,43 $.

Ensuite, Acuity Brands, Inc. (AYI ) est un leader des systèmes d’éclairage LED. Cette société de 9,38 milliards de dollars de capitalisation a vu ses actions grimper de 48,9 % et se négocient actuellement à 305 $.

Now, let’s take a deeper dive into one of the top performers in the field.

Coherent, Inc. (COHR )

Acteur clé dans le domaine de la technologie laser, Coherent fournit des lasers pour une large gamme d’applications, notamment le traitement des matériaux, l’électronique et la biomédecine. Ses actions ont progressé de plus de 132 % cette année ; elles se négocient actuellement 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, l’entreprise a déclaré un chiffre d’affaires de 1,314 milliard de dollars et 4,708 milliards de dollars pour l’ensemble de l’exercice clos le 30 juin 2024, avec des marges brutes GAAP de 32,9 % et 30,9 % respectivement. Selon Rich Martucci, directeur financier intérimaire, la croissance a été « principalement tirée par la force continue liée à l’IA dans notre activité de transceiver Datacom ».

Récemment, l’entreprise a présenté une nouvelle série de lasers à ondes continues (CW) à rétroaction distribuée (DFB) très efficaces, conçus pour offrir 15 % de meilleure efficacité énergétique que les standards de l’industrie. Ces lasers répondent à la demande croissante de bande passante 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 une fabrication ultra‑précise de cellules solaires à couche mince.

Conclusion

Les matériaux pérovskites sont extrêmement précieux grâce à leur efficacité, leur rentabilité, leur flexibilité, leur finesse, leur mobilité et leurs capacités d’absorption lumineuse. Ainsi, acquérir une compréhension plus approfondie de ces matériaux, qui progresse à un rythme rapide, peut nous aider à débloquer de nouvelles possibilités pour les technologies laser et LED de prochaine génération.

En contrôlant la structure et le comportement des puits quantiques, les chercheurs ouvrent davantage la voie à un transfert d’énergie plus efficace, une plus grande stabilité et des propriétés d’émission lumineuse améliorées. Ces percées peuvent positionner les pérovskites comme des acteurs majeurs dans divers secteurs, et à mesure que la recherche progresse, elles ont le potentiel de révolutionner l’énergie propre, les technologies d’affichage et les applications laser, faisant d’elles le centre d’intérêt de la science des matériaux.

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