Etudes de propriétés structurales, diélectriques, et piezoélectrique de monocristaux pérovskites hybrides

Investigations of the structural, dielectric, and piezoelectric properties of MAPbI3 hybrid perovskites single crystals

• Auteur / Autrice : Weiwei Li
• Direction : Abdelhadi Kassiba, Guorong Li
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/05/2021
• Etablissement(s) : Le Mans en cotutelle avec Institute of ceramics (Shanghai, Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Molécules et Matériaux du Mans (Le Mans ; 2012-....) - Institut des Molécules et Matériaux du Mans / IMMM
• Jury : Président / Présidente : Jingrong Cheng
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelhadi Kassiba, Guorong Li, Jingrong Cheng, Jinjin Zhao, Kin Wing Kwok, Jens Dittmer, Chul Hong Park
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jingrong Cheng, Benoît Guiffard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photocatalyse

Ferroélectricité

Piézoélectricité

Électrostriction

Diélectriques

Monocristaux

Matériaux hybrides

Pérovskite

Mots clés libres

MAPbI3

Effets pré-transitionnels

Propriétés diélectriques

Electrostriction

Piezoélectricité

Ferroélectricité

Photocatalyse

MAPbI3

Pre-transitional effects

Dielectric proprieties

Electrostriction

Piezoelectricity

Ferroelectricity

Photocatalysis

Résumé

La pérovskite hybride MAPbI3 possède d’excellentes propriétés optoélectroniques et leurs optimisations nécessitent une compréhension approfondie de la structure des matériaux et leurs propriétés physiques fondamentales (diélectriques, piézoélectriques, ferroélectriques, conductivité, transitions de phase structurales). Cette thèse s’inscrit dans ce contexte et comporte les contributions suivantes: (1) Étude des propriétés diélectriques des monocristaux MAPbI3 pour corréler la migration des ions et les effets diélectriques avec des fortes valeurs. Ce comportement est lié aux cations MA+ de méthylamine et anions iodure I- qui sont des espèces mobiles contribuant à la forte constante diélectrique. L’étude de la variation thermique du spectre diélectrique, la relation entre l’orientation des ions MA+ et la température est clarifiée, comme on l’a également déduit de l’influence des ions Cs+ sur l’orientation ionique de MA+. L’évolution de la constante diélectrique dans MAPbI3 a aussi été analysée au voisinage des transitions de phases structurales. Cette étude exclut l’existence d’une transition de phase de type ferroélectrique- paraéléctrique susceptible de se manifester à la transition de phase tétragonale-cubique. (2) Les effets du poling électrique (AC, DC) sur les propriétés d’électrostriction et piezoelectrique de MAPbI3 ont été étudiés incluant l’effet de la fréquence du signal du poling. Les résultats sur les paramètres d’électrostriction et piézoélectriques peuvent être optimisés pour des applications prometteuses de MAPbI3 dans des actionneurs ou dans les systèmes intégrés MEMS. (3) Les propriétés ferroélectriques de MAPbI3 ont été étudiées par deux méthodes différentes : boucles d’hystérésis ferroélectrique et la microscopie par force piézoélectrique (PFM). Pour les caractéristiques structurelles, des études par diffraction des rayons X haute résolution ont été menées pour caractériser la transition de phase entre la phase tétragonale et cubique dans MAPbI3. Des effets pré-transitionnels ont été démontrés à l’approche de la transition tétragonale-cubique; (4) Enfin, les poudres MAPbI3 et MAPbI3/TiO2 ont été mises en œuvres dans des réactions photocatalytiques. L’objectif étant de tester l’efficacité de la photoactivité de ces systèmes dans les réactions photocatalytiques dédiées à l’oxydation de groupes organiques tels que le benzaldéhyde et l’alcool de Benzyl.

The hybrid perovskite MAPbI3 possessesexcellent optoelectronic properties and their optimizationand applications requires in depth understanding of thematerial structure and fundamental physical properties.This thesis investigates the structure and main propertiesof MAPbI3 through the following approaches: (1) Study ofthe dielectric properties of single crystals to point out therelationship between ion migration and giant dielectriceffects. Both methylamine MA+ cations and iodide Ianionsare mobile species which contribute to the dielectricconstant strength. This effect was established andexplained by the abnormal change of the dielectricconstant of MAPbI3 under illumination. Through the studyof the thermal variation of the dielectric spectrum, therelationship between the orientation of MA+ ions and thetemperature is clarified as also was inferred from theinfluence of non-polar ions Cs+ on the ion orientation ofMA+. The evolution of the dielectric constant was alsoanalyzed close to the critical temperatures of the phasetransitions in MAPbI3.This study rules out the involvement of ferroelectricparaelectricphase at the tetragonal-cubic phase change.(2) The effects of AC and DC poling on theelectrostriction and piezoelectric properties of MAPbI3were investigated and point out the role of poling in thestrength of the phenomena. The investigations ofelectrostrictive and piezoelectric effects was conductedwith and without poling using DC or AC. The differentexperiments point out the promising applications ofMAPbI3 in actuators, energy harvesting and integratedMEMS systems. (3) The ferroelectric properties ofMAPbI3 were studied by two different methods:ferroelectric hysteresis loop and PFM. For the structuralfeatures, high-resolution XRD was used to characterizethe phase transition between the tetragonal and cubicphase in MAPbI3; (4) MAPbI3 and MAPbI3/TiO2powders were prepared by the anti-solvent method, andthe effect of MAPbI3 on the photocatalytic reactions tooxidize Benzaldehyde and Benzyl alcohol.