MARS — Méthodes de Résonance magnétique pour les nouveaux matériaux solaires

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.