Méthodes de Résonance magnétique pour les nouveaux matériaux solaires – MARS

La compréhension de l'interaction entre spins appariés est un enjeu majeur pour l’électronique
moléculaire et les cellules solaires organiques. En effet, à cause des faibles interactions spin orbite
dans ces systèmes, l'état de spin impose des règles de sélection strictes pour les états photoexcités.
Les processus impliquant le spin semblent également importants pour les pérovskites hybrides, sur
lesquels des progrès remarquables ont été réalisés ces dernières années : elles permettent
désormais la réalisation des dispositifs optoélectroniques performants . Les effets de spin sur les
états photoexcités sont en effet étudiés avec attention dans des contextes finalement très différents.
Dans ce projet, nous nous concentrerons sur deux aspects: la fission excitonique au cours de laquelle
un exciton singlet se divise en deux excitons triplets d'énergie deux fois plus faible et les processus
dépendants du spin dans des systèmes de quelques couches de pérovskites hybrides jusqu'à la limite
d'une monocouche isolée. Dans ce projet, nous proposons d'introduire la technique de résonance
magnétique détectée optiquement (ODMR) large bande, comme méthode puissante pour sonder la
nature d'états bi-exciton quintets (avec un spin total S=2) formés à la suite de la fission excitonique.
Des expériences récentes au LPS ont montré que cette approche permet de caractériser de manière
univoque les sites moléculaires occupés par les deux excitons triplets appariés qui forment le bi-
exciton. En complément, l’équipe de Berlin mènera des expériences de résonances magnétiques
pulsées ainsi que de la spectroscopie diélectrique (LPS). La combinaison de ces techniques va
permettre de caractériser la configuration moléculaire des bi-excitons, l'interaction entre les excitons
triplets (via leur énergie d'échange) mais aussi les différents temps de vie. L'équipe de NEEL
poussera les limites de l'ODMR pour sonder un bi-exciton unique pour révéler des effets plus subtils
lies à la structure hyperfine qui sont cachées lors d'une moyenne d'ensemble. Cette information
caractérisera très précisément la structure des fonctions d'onde des bi-excitons. L'ensemble de ces
informations permettra d’abonder un modèle théorique quantitatif des bi-excitons qui s'appuiera sur
l’expertise en chimie quantique de l’équipe de Bayreuth. Cette dernière réalisera aussi des
expériences de spectroscopique pour sonder le rôle de bi-excitons dans les processus d'annihilation
triplet-triplet et de conversion ascendante de photons. Les matériaux utilisés pour les cellules solaires
et la conversion ascendante en couches minces, ont une morphologie complexe, éloignée de celle
des monocristaux. Le LPS et le GEMaC concevront une expérience d'ODMR dans une version résolue
spatialement, dite de microfluorescence. Ce développement, qui sera finalisé dans le cadre du projet,
permettra aussi d'étudier les propriétés de pérovskites-hybrides dans la limite de monocouches
réalisées par déposition de vapeur chimique. Ces échantillons, synthétisés au GEMaC/LPS, permettent
de réaliser des hétérostructures Van-der-Waals dont les propriétés peuvent être facilement modulées
par une tension de grille. La compréhension des effets optiques dépendants du spin dans des
nanofeuillets de pérovskites est une direction de recherche très prometteuse sur laquelle se
concentrera l'équipe du GEMaC. En conclusion, le projet MARS développera des méthodes optiques
dépendantes du spin originales pour sonder les propriétés d'états photoexcités impliqués dans la
fission excitonique. Ces techniques permettront de sonder également de nouveaux matériaux tels
que les nanofeuillets MAPI avec un fort impact en optoélectronique fondamentale et appliquée.