Atomic structure of a Perovskite surface

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Des efforts de recherche et de développement considérables se focalisent à l’heure actuelle sur la fabrication de nano-architectures hybrides organiques-inorganiques de type pérovskites pour des applications en (opto)-électronique et pour le photovoltaïque. Un des challenges actuels vise à maitriser la synthèse de ces nano-architectures et à élucider les différentes structures que peuvent adopter ces assemblages moléculaires.

Des chercheurs de l’Université Sun Yat-sen (Chine) ont co-déposé des molécules d’iodure de méthylammonium (CH3NH3I) et des clusters d’iodure de plomb (PbI2) dans un rapport 1:3 sur une surface d’Au(111) à 110−130 K. Après chauffage, les auteurs observent la formation d’un film parfaitement plan (à l’échelle atomique) sur la surface d’or. Les images STM haute résolution révèlent que la surface du film peut adopter deux structures : la première en zigzag et la seconde sous forme de dimère. La partie supérieure de la surface est constituée d’une couche ionique formée par les cations CH3NH3+ et les anions I- (les points clairs dans l’image STM correspondent aux atomes d’iode). Les auteurs utilisent des calculs DFT pour élucider ces deux reconstructions de surface et proposent deux modèles (Figure 1). 

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Figure 1 : Résultats des calculs DFT. (Haut) Structure zigzag (a, b : maille ; c : surface). (Bas) Structure en dimères (d, e : maille ; c : surface). Extrait avec la permission de ACS Nano 10(1), 1126 (2016). Copyright 2016 ACS.

Dans ces deux structures, l’orientation des cations CH3NH3+ est différente, ce qui induit des couplages électrostatiques distincts avec les atomes d’iode, à l’origine d’un réarrangement de ceux-ci en surface. L’interaction électrostatique entre les deux espèces chimiques est présentée sur la Figure 2.

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Figure 2 : Répartition de la densité de charge de la structure zigzag (a) et dimère (b). Extrait avec la permission de ACS Nano 10(1), 1126 (2016). Copyright 2016 ACS.

Ces études montrent que les structures hybrides pérovskite peuvent adopter plusieurs reconstructions de surface. Ceci donne accès à des propriétés de surface modulables, qui devraient être avantageusement mises à profit pour leur application dans des composants.