Conception rationnelle de polymères semi-conducteurs organiques transporteurs d'électrons et de leurs performances d'analyse en couches minces et de transistors. Crédit: Journal de l'American Chemical Society
Des chercheurs de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) rapportent sur un transistor unipolaire de type n avec une performance révolutionnaire de mobilité des électrons allant jusqu'à 7,16 cm 2 V -1 s -1 . Cette réalisation annonce un avenir passionnant pour l'électronique organique, y compris le développement d'écrans flexibles innovants et de technologies portables.
Les chercheurs du monde entier sont à la recherche de nouveaux matériaux susceptibles d'améliorer les performances des composants de base nécessaires au développement de l'électronique organique.
Maintenant, une équipe de recherche du département de science et d'ingénierie des matériaux de Tokyo Tech comprenant Tsuyoshi Michinobu et Yang Wang rapporte un moyen d'augmenter la mobilité électronique des polymères semi-conducteurs, qui se sont révélés auparavant difficiles à optimiser. Leur matériau haute performance atteint une mobilité électronique de 7,16 cm2 V-1 s-1, représentant une augmentation de plus de 40 pour cent par rapport aux résultats comparables précédents.
Dans leur étude publiée dans le Journal de l'American Chemical Society , ils se sont concentrés sur l'amélioration des performances des matériaux connus sous le nom de polymères semi-conducteurs de type n. Ces matériaux de type n (négatifs) sont à dominante électronique, contrairement aux matériaux de type p (positifs) qui dominent les trous. "Comme les radicaux chargés négativement sont intrinsèquement instables par rapport à ceux qui sont chargés positivement, produire des polymères semi-conducteurs stables de type n a été un défi majeur en électronique organique, " explique Michinobu.
La recherche répond donc à la fois à un défi fondamental et à un besoin pratique. Wang note que de nombreuses cellules solaires organiques, par exemple, sont fabriqués à partir de polymères semi-conducteurs de type p et de dérivés de fullerène de type n. L'inconvénient est que ces derniers sont coûteux, difficile à synthétiser et incompatible avec les appareils flexibles. « Pour pallier ces inconvénients, " il dit, « les polymères semi-conducteurs de type n hautes performances sont très recherchés pour faire avancer la recherche sur les cellules solaires entièrement en polymère. »
Chercheurs (à gauche :Tsuyoshi Michinobu, à droite :Yang Wang) fabriquant des transistors à couche mince. Crédit :Tsuyoshi Michinobu, Yang Wang
La méthode de l'équipe consistait à utiliser une série de nouveaux dérivés de poly(benzothiadiazole-naphtalènediimide) et à affiner la conformation du squelette du matériau. Cela a été rendu possible par l'introduction de ponts vinylène capables de former des liaisons hydrogène avec les atomes voisins de fluor et d'oxygène. L'introduction de ces ponts vinylènes a nécessité une prouesse technique afin d'optimiser les conditions de réaction.
Globalement, le matériau résultant avait un ordre d'emballage moléculaire amélioré et une plus grande résistance, ce qui a contribué à l'augmentation de la mobilité des électrons.
En utilisant des techniques telles que la diffusion des rayons X grand angle à incidence rasante (GIWAXS), les chercheurs ont confirmé qu'ils avaient atteint une distance d'empilement π-π extrêmement courte de seulement 3,40 angströms. « Cette valeur est parmi les plus courtes pour les polymères semi-conducteurs organiques à haute mobilité, " dit Michinobu.
Il reste plusieurs défis à relever. « Nous devons encore optimiser la structure du backbone, " poursuit-il. " En même temps, les groupes de chaînes latérales jouent également un rôle important dans la détermination de la cristallinité et de l'orientation de tassement des polymères semi-conducteurs. Nous avons encore une marge de progression."
Wang souligne que les niveaux les plus bas d'orbitales moléculaires inoccupées (LUMO) se situaient entre -3,8 et -3,9 eV pour les polymères signalés. "Comme des niveaux de LUMO plus profonds conduisent à un transport d'électrons plus rapide et plus stable, d'autres conceptions qui introduisent sp2-N, atomes de fluor et de chlore, par exemple, pourrait aider à atteindre des niveaux de LUMO encore plus profonds, " il dit.
Dans le futur, les chercheurs viseront également à améliorer la stabilité dans l'air des transistors à canal n - un problème crucial pour la réalisation d'applications pratiques qui incluraient des circuits logiques complémentaires de type métal-oxyde-semiconducteur (CMOS), cellules solaires tout polymère, photodétecteurs organiques et thermoélectriques organiques.
