Une découverte par une équipe internationale de chercheurs de l'Université de Princeton, le Georgia Institute of Technology et l'Université Humboldt de Berlin ouvrent la voie à une utilisation plus répandue d'une technologie de pointe généralement connue sous le nom d'électronique organique.

La recherche, publié le 13 novembre dans la revue Matériaux naturels , se concentre sur les semi-conducteurs organiques, une classe de matériaux prisés pour leurs applications dans les technologies émergentes telles que l'électronique flexible, conversion d'énergie solaire, et des écrans couleur de haute qualité pour smartphones et téléviseurs. A court terme, l'avancée devrait particulièrement aider avec les diodes électroluminescentes organiques qui fonctionnent à haute énergie pour émettre des couleurs telles que le vert et le bleu.

"Les semi-conducteurs organiques sont des matériaux idéaux pour la fabrication de dispositifs mécaniquement flexibles avec des processus à basse température économes en énergie, " dit Xin Lin, doctorant et membre de l'équipe de recherche de Princeton. "L'un de leurs inconvénients majeurs a été leur conductivité électrique relativement faible, ce qui conduit à des appareils inefficaces avec une durée de vie plus courte que celle requise pour les applications commerciales. Nous travaillons à améliorer les propriétés électriques des semi-conducteurs organiques afin de les rendre disponibles pour davantage d'applications."

Semi-conducteurs, généralement en silicium, sont le fondement de l'électronique moderne, car les ingénieurs peuvent tirer parti de leurs propriétés uniques pour contrôler les courants électriques. Parmi de nombreuses applications, les dispositifs à semi-conducteurs sont utilisés pour l'informatique, amplification et commutation du signal. Ils sont utilisés dans les dispositifs d'économie d'énergie tels que les diodes électroluminescentes et les dispositifs qui convertissent l'énergie tels que les cellules solaires.

Un processus appelé dopage est essentiel à ces fonctionnalités, dans lequel la composition chimique du semi-conducteur est modifiée en ajoutant une petite quantité de produits chimiques ou d'impuretés. En choisissant soigneusement le type et la quantité de dopant, les chercheurs peuvent modifier la structure électronique et le comportement électrique des semi-conducteurs de diverses manières.

Dans leur récent article sur Nature Materials, les chercheurs décrivent une nouvelle approche pour augmenter considérablement la conductivité des semi-conducteurs organiques, qui sont formés de molécules à base de carbone plutôt que d'atomes de silicium. Le dopant, un composé contenant du ruthénium, est un agent réducteur, ce qui signifie qu'il ajoute des électrons au semi-conducteur organique dans le cadre du processus de dopage. L'ajout d'électrons est la clé pour augmenter la conductivité du semi-conducteur. Le composé appartient à une nouvelle classe de dopants appelés dopants organométalliques dimères. Contrairement à de nombreux autres agents réducteurs puissants, ces dopants sont stables lorsqu'ils sont exposés à l'air mais fonctionnent toujours comme de puissants donneurs d'électrons à la fois en solution et à l'état solide.

Seth Marder et Steve Barlow de Georgia Tech, qui a dirigé le développement du nouveau dopant, a appelé le composé de ruthénium un « dopant hyper-réducteur ». Ils ont dit que c'était inhabituel, non seulement sa combinaison de force de don d'électrons et de stabilité de l'air, mais dans sa capacité à travailler avec une classe de semi-conducteurs organiques qui étaient auparavant très difficiles à doper. Dans des études menées à Princeton, les chercheurs ont découvert que le nouveau dopant augmentait la conductivité de ces semi-conducteurs environ un million de fois.

Le composé du ruthénium est un dimère, ce qui signifie qu'il est constitué de deux molécules identiques, ou des monomères, reliés par une liaison chimique. Comme si, le composé est relativement stable et, lorsqu'il est ajouté à ces semi-conducteurs difficiles à doper, il ne réagit pas et reste dans son état d'équilibre. Cela posait problème car pour augmenter la conductivité du semi-conducteur organique, le dimère de ruthénium doit se séparer et libérer ses deux monomères identiques.

Lin, le doctorant de Princeton qui était l'auteur principal de l'article Nature Materials, a déclaré que les chercheurs ont cherché différentes façons de briser le dimère de ruthénium et d'activer le dopage. Finalement, lui et Berthold Wegner, un étudiant diplômé invité du groupe de Norbert Koch à l'Université Humboldt, frapper lors de l'ajout d'énergie en irradiant avec de la lumière ultraviolette, qui excitait efficacement les molécules dans le semi-conducteur et initiait la réaction. Sous l'exposition à la lumière, les dimères se séparent en monomères, et la conductivité a augmenté.

Après ça, les chercheurs ont fait une observation intéressante.

"Une fois la lumière éteinte, on pourrait naïvement s'attendre à ce que la réaction inverse se produise" et que la conductivité accrue disparaisse, Marder a déclaré dans un e-mail. "Toutefois, ce n'est pas le cas."

Les chercheurs ont découvert que les monomères de ruthénium restaient isolés dans le semi-conducteur _ augmentant la conductivité _ même si la thermodynamique devrait ramener les molécules à leur configuration d'origine sous forme de dimères. Antoine Kahn, un professeur de Princeton qui dirige l'équipe de recherche, a déclaré que la disposition physique des molécules à l'intérieur du semi-conducteur dopé fournit une réponse probable à cette énigme. L'hypothèse est que les monomères sont dispersés dans le semi-conducteur de telle sorte qu'il leur est très difficile de revenir à leur configuration d'origine et de reformer le dimère de ruthénium. Réformer, il a dit, les monomères doivent être orientés dans le bon sens, mais dans le mélange ils restent de travers. Donc, même si la thermodynamique montre que les dimères devraient se reformer, la plupart ne se remettent jamais ensemble.

"La question est de savoir pourquoi ces choses ne reviennent pas ensemble à l'équilibre, " dit Kahn, le professeur Stephen C. Macaleer '63 en ingénierie et sciences appliquées. "La réponse est qu'ils sont piégés cinétiquement."

En réalité, les chercheurs ont observé le semi-conducteur dopé pendant plus d'un an et ont constaté une très faible diminution de la conductivité électrique. Aussi, en observant le matériau dans des diodes électroluminescentes fabriquées par le groupe de Barry Rand, professeur assistant en génie électrique à Princeton et au Andlinger Center for Energy and the Environment, les chercheurs ont découvert que le dopage était continuellement réactivé par la lumière produite par l'appareil.

La lumière active davantage le système, ce qui conduit à plus de production de lumière et plus d'activation jusqu'à ce que le système soit complètement activé, dit Marder. "Cela seul est une observation nouvelle et surprenante."