Le graphène révèle le pouvoir de la lumière

Le graphène est devenu très populaire en raison de son extrême solidité et de sa légèreté. Généré en «pelant» du graphite ou par culture sur diverses matières, sa production est très rentable. Les études ont par ailleurs suggéré qu’il pouvait être utilisé comme matériau photovoltaïque et changer la lumière en électricité. Or, grâce à une méthode novatrice de spectroscopie, des scientifiques de l’EPFL viennent de démontrer que l’absorption d’un seul photon permet au graphène de générer suffisamment d’électrons pour produire un courant électrique. Leurs travaux sont publiés dans Nano Letters.

Le graphène est fascinant en termes de physique fondamentale. A température ambiante,il est par exemple un meilleur conducteur d’électricité que le cuivre , ce qui le rend attractif pour la réalisation de circuits ultrarapides. Il est en outre susceptible de conduire de l’électricité après avoir absorbé de la lumière, et pourrait donc être utilisé dans le domaine du photovoltaïque. Jusqu’ici, son potentiel en matière de conversion électrique efficace restait toutefois difficile à comprendre.

Il s’agit en effet d’un sacré défi, puisque ladite conversion s’effectue à l’échelle de la femto seconde - 10^-15, soit un quadrillion de seconde - , soit beaucoup trop rapidement pour que les techniques usuelles puissent détecter le mouvement des électrons. Afin de surmonter cet obstacle, Jens Christian Johannsen et Marco Grioni du laboratoire de spectroscopie électronique de l’EPFL, leurs collègues de l’Université Aarhus ainsi que d’ELETTRA en Italie ont mis à profit une technique sophistiquée, appelée la «spectroscopie ultrarapide de photoémission résolue en temps et en angle» (trARPES). Leurs expériences ont été menées au très fameux laboratoire Rutherford Appleton d’Oxford.

Cette méthode consiste à placer un échantillon de graphène dans une chambre outre-vide . Celui-ci est frappé par un laser lumineux à impulsion ultrarapide, qui excite les électrons, les élèvant ainsi à des stades énergétiques où ils sont capables de conduire un courant électrique. L’échantillon de graphène est alors soumis à des impulsions à retardement, qui prennent un cliché de l’énergie de chaque électron à un temps donné. Répétée à différents moments comme s’il s’agissait d’un film en stop motion, cette action capture la dynamique des électrons dans une séquence en direct.

Un photon, une foule d’électrons

Les scientifiques ont ensuite utilisé des échantillons «dopés» de graphène, auxquels des éléctrons ont été chimiquement ajoutés ou soustraits. Leurs observations ont révélé qu’en absorbant un seul photon, ce graphène dopé, pouvait exciter plusieurs électrons, et ce proportionnellement à son degré de dopage. En effet, chaque photon excite un électron, qui retombe ensuite rapidement à son état énergétique usuel. Or, sa chute excite en moyenne deux électrons de plus. «Ce phénomène démontre qu’un système photovoltaïque au graphène dopé pourrait être efficace pour convertir la lumière en électricité», explique Marco Grioni.

Les scientifiques ont ainsi réalisé les toutes premières observations de l’effet de multiplication photon-électron du graphène, ce qui en fait un composant très prometteur pour tout appareil qui transforme la lumière en électricité. De nouveaux systèmes photovoltaïques pourraient en effet récolter de la lumière sur l’entier de son spectre avec des pertes énergétiques moindres.

Suite à ce premier succès, , les chercheurs se donnent désormais comme objectif d’explorer des phénomènes similaires dans d’autres matériaux 2D, comme le sulfure de molybdène (MoS₂), qui est déjà connu pour ses excellentes propriétés électroniques et catalytiques.

Cette étude est une collaboration entre le Laboratoire de spectroscopie photoélectrique de l’EPFL, l’Université Aarhus, le Laboratoire Rutherford Appleton, l’Université Erlangen de Nuremberg, l’Université technique de Chemnitz, l’Université de St. Andrews, l’Université de Trieste, l’Elettra-SincrotroneTrieste S.C.p.A et le Laboratoire IOM-CNR TASC.

Source

Johannsen JC, Ulstrup S, Crepaldi A, Cilento F, Zacchigna M, Miwa JA, Cacho C, Chapman RT, Springate E, Fromm F, Raidel C, Seyller T, King PDC, Parmigiani F, Grioni M, Hofmann P. Tunable Carrier Multiplication and Cooling in Graphene.Nano Letters December 2 2014. DOI: 10.1021/nl503614v