Etude des propriétés de transport électrique et de l'évolution structurale de matériaux énergétiques émergents sous haute pression

Investigation on the Electrical Transport Properties and the Structural Evolution of Emerging Energy Materials under High Pressure

• Auteur / Autrice : Huacai Yan
• Direction : François Baudelet, Qingyu Kong
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/05/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Synchrotron SOLEIL
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Bleuzen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrea Di Cicco, Alfonso San Miguel, Angelika Rosa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andrea Di Cicco, Alfonso San Miguel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'absorption

Composés lamellaires

Spectroscopie d'impédance

Pérovskite

Hautes pressions

Mots clés libres

Haute pression

Pérovskites

Spectroscopie d'impédance

Photocourant

Matériaux lamellaires 2D

Spectroscopie d'absorption des rayons X

High pressure

Perovskites

Impedance spectroscopy

Photocurrent

2D layered materials

X-Ray absorption spectroscopy

Résumé

Des pérovskites et des composés lamellaires bidimensionnels ont attiré l'attention comme matériaux de cellules solaire en raison de leurs remarquables propriétés photovoltaïques. La pression est un moyen important qui peut modifier les propriétés structurales et électroniques des matériaux, modifiant ainsi le transport électrique et les propriétés photoélectriques des matériaux. Dans ce travail, nous avons choisi CsPbBr₃, ReS₂ et l'arsenic noir (« black arsenic », bAs) comme objets de recherche, qui sont représentatifs des pérovskites et des matériaux bidimensionnels. Les propriétés de transport électrique de CsPbBr₃ ont été étudiées sous pression par spectroscopie d'impédance en courant alternatif (AC) in situ et par des mesures de photo-courant. L'évolution structurale de ces matériaux a été étudiée sous pression en utilisant la spectroscopie d'absorption des rayons X (SAX) in situ. Les résultats détaillés de cette étude sont les suivants : 1. Par des mesures de spectroscopie d'impédance in situ sous haute pression, nous avons étudié systématiquement les propriétés de transport électrique de CsPbBr₃. Nous avons déterminé que ce composé subit une transition de phase structurale à 1,2 GPa. Lorsque la pression est inférieure à 2,3 GPa, il y a coexistence de la conduction électronique et ionique. Quand la pression dépasse 2,3 GPa, la conduction ionique disparaît, et une transition de la conduction ionique à la conduction électronique se produit. Par des mesures de photoconductivité in situ à haute pression, nous avons déterminé que la réponse à la lumière visible de CsPbBr₃ dans la phase haute pression était nettement meilleure que celle de la phase basse pression, ce qui indique que la pression peut améliorer ses propriétés photoélectriques. Les résultats de spectroscopie d'absorption SAX à haute pression ont également confirmé que CsPbBr₃ subit une transition de phase à 1,2 GPa, et grâce à l'analyse des résultats par transformée de Fourier, nous savons que la pression provoque une diminution continue de la distance Pb-Br, ce qui entraîne des distorsions et des contractions des octaèdres PbBr6, ce qui induit la transition de phase. 2. Nous avons étudié l'évolution de la structure locale du ReS₂ par des mesures in situ de la structure fine d'absorption des rayons X (EXAFS) à haute pression. Nous avons trouvé une transition intra-couche à 6,0 GPa associée à la rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre des atomes de soufre autour de la chaîne d'atomes de Re conduisant à la formation de liaisons covalentes S-S entre les couches, suivie d'une transition inter-couche d'un empilement désordonné à un empilement ordonné à 20,4 GPa. Les résultats de la transformation de Fourier montrent que les longueurs de liaison Re-S deviennent progressivement plus courtes lorsque la pression augmente dans toute la gamme de mesure. Nous avons déterminé le nombre d'atomes S entourant Re, la valeur du pseudo-coefficient de Debye-Waller et la longueur de la liaison Re-S, qui passe de 2,413 Å à pression ambiante à 2,378 Å à 20,4 GPa par ajustement structural local. 3. Nous avons étudié l'évolution de la structure de bAs par des mesures d'EXAFS in situ à haute pression. Nous avons déterminé que bAs subit une transition structurale de la phase basse pression A17 (bAs) à la phase A7 (As gris) à 4,7 GPa. Elle est attribuée à la formation de nouvelles liaisons inter-couches alors que les liaisons intra-couches sont rompues. Une autre transition de phase se produit à 10,8 GPa, où nous proposons une transition de phase de A7 à une phase cubique simple (SC). Les résultats de la transformation de Fourier montrent la formation de liaisons inter-couche As-As à 4,7 GPa ; les longueurs de liaison deviennent progressivement plus courtes dans toute la gamme de pression.

Perovskite solar cell materials and two-dimensional layered materials have attracted worldwide attention as solar harvesting materials because of their remarkable photovoltaic properties. Pressure is an important means which can alter the geometric and electronic structures of the materials, thereby changing the electrical transport and photoelectric properties of the materials. In this work, we select CsPbBr₃, ReS₂, and black arsenic (bAs) as the research objects, which are representative of perovskite and two-dimensional materials. The electrical transport properties of CsPbBr₃ were investigated under pressure by in-situ alternative current (AC) impedance spectroscopy and photocurrent measurements. The structural evolution of these materials was investigated under pressure using in-situ X-ray absorption spectroscopy (XAS) method. In these measurements, the detailed results of the study are as follows: 1. By in-situ high-pressure impedance spectroscopy measurements, we have systematically studied the electrical transport properties of CsPbBr₃. We found that CsPbBr₃ undergoes a structural phase transition at 1.2 GPa, and when the pressure is below 2.3 GPa, both electronic and ionic conduction coexist within CsPbBr₃. When the pressure exceeds 2.3 GPa, the ionic conduction disappears, and the transition from ion/electron mixed conduction to pure electronic conduction occurs. By in situ high-pressure photoconductive measurements, we found that the visible light response of CsPbBr₃ in the second phase was significantly better than that of the ambient phase, indicating that pressure can improve its photoelectric properties. The results of high-pressure XAS also confirmed that CsPbBr₃ undergoes a phase transition at 1.2 GPa, and through the analysis of the Fourier transform results, we know that the pressure causes the Pb-Br distance to decrease continuously, resulting in the distortions and contractions of the PbBr6 octahedra, which induces the phase transition. 2. By in-situ high-pressure Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) measurements, we investigated the local structure evolution of ReS₂. We found an intralayer transition at 6.0 GPa, which was associated with the counterclockwise rotation of S atoms around the chain of Re atoms leading to the interlayer S-S covalentlike bond formation, followed by an interlayer transition from disordered to ordered stacking at 20.4 GPa. The Fourier transformed results show that the Re-S bond lengths gradually become shorter as the pressure increases in the entire measurement range. We obtained the number of S atoms surrounding Re, the Debye-Waller value, and the accurate Re-S bond length, which decreases from 2.413 Å at ambient pressure to 2.378 Å at 20.4 GPa by the local structural fitting analysis. 3. We investigated the structure evolution of bAs by in-situ high-pressure EXAFS measurements. We found bAs undergo a phase transition from A17 (bAs) to the A7 (gray As) phase at 4.7 GPa, which is attributed to the new interlayer bonds formation while intralayer bonds are broken. Another phase transition occurs at 10.8 GPa, where we believe the phase transition from A7 to simple cubic (SC) phase. The Fourier transformed results show that the formation of the interlayer As-As bond at 4.7 GPa and the bond lengths gradually become shorter in the entire pressure range.