Les pérovskites halogénées, une nouvelle classe de semi-conducteurs, présentent des propriétés optoélectroniques remarquables, les rendant particulièrement intéressantes pour la conversion de l'énergie solaire, l'éclairage basse consommation, la photodétection et les technologies quantiques. Bien que leurs performances rivalisent avec celles du silicium, elles sont synthétisées plus facilement et à moindre coût. Cependant, les couches minces polycristallines qui en résultent contiennent de nombreux défauts cristallins, qui dégradent généralement les performances des matériaux optoélectroniques. Les pérovskites halogénées se distinguent par leur tolérance inhabituelle à ces défauts, dont l'origine reste débattue et pourrait impliquer leur réseau cristallin mou, polaire et dynamique.
Pour surmonter la difficulté d'identifier expérimentalement ces défauts dans les pérovskites halogénées, l'équipe du GEMaC a étudié des monocristaux de MAPbI3 (CH3NH3PbI3) synthétisés au laboratoire LuMIn. À une température de 4 K (−269 °C), l'excitation par laser de ces cristaux a généré une photoluminescence révélant des raies d'émission extrêmement fines, inférieures à 500 µeV. Ces signatures optiques suggèrent une émission très localisée provenant de défauts ponctuels, où les porteurs de charge piégés se recombinent en émettant de la lumière.
Une première étude a montré que l'énergie de ces raies fluctue sur des échelles de temps d'environ une seconde, avec des amplitudes allant de quelques centaines de µeV à quelques meV. Ce phénomène de diffusion spectrale, habituellement associé à un émetteur unique, provient en réalité d'un ensemble d'émetteurs fluctuant de concert. De plus, plusieurs raies associées à des défauts distincts se déplacent de manière synchrone, indiquant que ces défauts sont soumis à une même source de fluctuations dans leur environnement cristallin local, suggérant l'existence de domaines de déformations lentes et corrélées du réseau cristallin.
Une seconde étude a caractérisé ces raies par spectroscopie d'excitation et de polarisation. Les mesures révèlent que l'émission des défauts est fortement polarisée linéairement (jusqu'à 40 %) et est renforcée lorsque l'énergie d'excitation se situe légèrement sous le seuil d'absorption de la lumière par le cristal. Ces observations sont compatibles avec une recombinaison entre un défaut et un défaut voisin, appelée recombinaison de paires donneur-accepteur.
Ces travaux, réalisés dans le cadre de la thèse de Thi Huyen Trang Nguyen au GEMaC, démontrent que les raies ultrafines des monocristaux permettent d'utiliser les défauts comme sondes sensibles à leur environnement local et à la dynamique du réseau cristallin. Ils ouvrent la voie à une meilleure compréhension des propriétés électroniques des défauts dans les pérovskites halogénées, étape essentielle pour élucider leur tolérance aux défauts.
