Maîtriser les processus de transfert et de piégeage des photo-porteurs dans les photodétecteurs hybrides nano-perovskite/TMDC – MaTra2D

Les interfaces hybrides combinant des nanocristaux (NanoX) de pérovskites et des feuillets de dichalcogénures de métaux de transition (TMD) sont très intéressantes pour le développement de photo-détecteurs innovants, car elles sont basées sur deux classes de matériaux modèles présentant des propriétés optoélectroniques exceptionnelles et complémentaires. Les TMDC peuvent être mis en œuvre sous forme de monocouches bidimensionnelles (2D) et contrôlables électriquement; les nanocristaux permettent quant à eux d’ajuster la bande de détection. Cependant, l'obtention de performances de photo-détection équilibrées, c'est-à-dire une commutation rapide et des gains élevés, reste un défi et la réponse temporelle de la plupart des photo-détecteurs NanoX-perovskite/TMD fonctionnant dans la partie visible du spectre reste dans le meilleur des cas limitée à quelques millisecondes. Pour obtenir de meilleures performances, il est impératif d'atteindre un équilibre optimal entre la durée de vie effective des photo-porteurs (conditionnée par le temps de piégeage) et le temps de transit des charges entre les électrodes du dispositif ; il est également essentiel de maîtriser l'alignement des bandes et les champs électriques natifs aux interfaces pérovskite/TMD.
Le projet Matra2D vise à mettre en œuvre une approche rationnelle permettant de comprendre et de maîtriser tous les processus qui conditionnent les performances de photo-détecteurs hybrides, réalisés en sensibilisant des mono-couches de TMD avec des nanocristaux et/ou des nanoplaquettes de pérovskites. Cette approche repose sur la synthèse et le traitement de films TMD de haute qualité, la synthèse de nanocristaux/nanoplaquettes de pérovskites avec une ingénierie de ligand appropriée, l'utilisation systématique de méthodes complémentaires de caractérisation photo-physique avancée, et la fabrication de photo-transistors à effet de champ comprenant un diélectrique de grille amélioré. Les caractérisations expérimentales couvriront un large éventail de techniques complémentaires : photoluminescence (PL), cathodoluminescence, spectroscopie Raman spectroscopie de photoélectrons, microscopie à force atomique (AFM) et microscopie à force de sonde Kelvin (KPFM). Un des points forts de MaTra2D sera d'utiliser systématiquement des modes potentiométriques et électrostatiques dérivés du microscope à force atomique pour sonder la nature des champs électriques natifs aux interfaces pérovskite/TMD, les mécanismes de transfert de charge photo-induits (par imagerie différentielle du photo-potentiel de surface), et la dynamique de piégeage des photo-porteurs et le transport des charges dans le canal actif par imagerie de potentiel et de photo-potentiel résolue en temps. Grâce à cette approche "en champ proche" sans équivalent dans la littérature, nous devrions être en mesure de pouvoir prédire si une interface NanoX-pérovskite/TMD donnée peut permettre d’obtenir une commutation rapide en configuration photo-détecteur, en amont des caractérisations macroscopiques du photo-transport. Une telle approche prédictive sera très utile pour évaluer plus rapidement le potentiel de nouvelles interfaces hybrides pérovskite/TMD pour la photodétection.