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Un avenir pour les perovskites dans la spintronique

Les perovskites se sont récemment imposées dans le paysage des cellules photovoltaïques. Forts de leurs travaux théoriques sur la conversion photovoltaïque de l’énergie solaire, des équipes du laboratoire Fonctions optiques pour les technologies de l'information (CNRS/INSA de Rennes) et de l’Institut des sciences chimiques de Rennes (CNRS/Université de Rennes 1) prédisent aujourd’hui à ces matériaux un avenir dans le domaine de la spintronique. Ces résultats sont parus dans la revue ACS NANO.

En quelques années, les pérovskites hybrides ont révolutionné le paysage des cellules photovoltaïques. Au départ, ces matériaux qui associent un réseau d'octaèdres inorganiques à un cation organique étaient principalement étudiés dans leur forme lamellaire (réseau bidimensionnel) à cause de leur forte luminescence à température ambiante. Mais ce sont d'autres structures où le réseau inorganique est cette fois tridimensionnel qui connaissent actuellement un engouement sans précédent dans le domaine du photovoltaïque, avec des rendements de photo-conversion particulièrement compétitifs.

Le très fort couplage spin-orbite des métaux dans ces matériaux est connu pour être à l’origine des bonnes propriétés de transport de charge requises pour la conversion photovoltaïque. Mais il est aussi indispensable à la manipulation des spins. Et justement, la spintronique, électronique de spin ou magnétoélectronique, est une technique qui exploite la propriété quantique du spin des électrons dans le but, par exemple, de stocker des informations.

Partant de cette constatation, les équipes rennaises proposent de mettre à profit les possibilités d’ingénierie chimique offertes par cette famille de matériaux, pour générer des structures sans centre d’inversion ou pour briser artificiellement cette symétrie grâce à un champ électrique externe. Cela rend ainsi possible l’apparition des effets Rashba et Dresselhaus(*). Ces effets mettent en place une précession spécifique et contrôlée des spins dans la perovskite. Après une analyse complète de ces effets dans diverses structures de pérovskites hybrides, les équipes ont poussé l’étude jusqu'à la conception de dispositifs, posant les bases d’un transistor à rotation de spin (spin-FET).

Sous l'effet d'une tension de grille, l'effet Rashba permet une précession contrôlée des spins dans la pérovskite hybride organique-inorganique. Un transistor à effet de champ (FET) a ainsi été créé.

@ Mikaël Képénékian

(*) Un système présentant à la fois un couplage spin-orbite important et une absence de symétrie d'inversion subit la présence d'un champ magnétique effectif qui conduit à l'éclatement des états de spin et à une polarisation de spin, même dans des matériaux non magnétiques. Ce phénomène est décrit par les effets Rashba et Dresselhaus.
L’effet Rashba est lié à l'asymétrie de site (Site Inversion Asymetry), alors que l'effet Dresselhaus tient à une asymétrie du groupe d'espace du cristal (Bulk Inversion Asymétrie). Ces deux effets peuvent se présenter seuls ou combinés.
Si le système présente l'inversion de symétrie, l'émergence d'un effet Rashba demeure possible par l'application d'un champ électrique. Ce dernier vient essentiellement briser la symétrie d'inversion et on retrouve le champ magnétique effectif.
Sous l'effet d'une tension de grille, l'effet Rashba permet une précession contrôlée des spins.

Référence

Mikaël Kepenekian, Roberto Robles, Claudine Katan, Daniel Sapori, Laurent Pedesseau & Jacky Even
Rashba and Dresselhaus Effects in Hybrid Organic-Inorganic Perovskites: From Basics to Devices
ACS NANO 8 septembre 2015
DOI: 10.1021/acsnano.5b04409

Contacts chercheurs

Claudine Katan et Mikaël Képénékian, Institut des sciences chimiques de Rennes
Courriel : claudine.katan@univ-rennes1.fr, mikael.kepenekian@univ-rennes1.fr
Tel: 02 23 23 56 82

Jacky Even, Fonctions optiques pour les technologies de l'information
Courriel : jacky.even@insa-rennes.fr
Tel: 02 23 23 82 95

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Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken