Une façon de visualiser les brins de PCDTPT, les chercheurs en matériaux plastiques conducteurs étudiés dans ce travail, est comme une collection de vers gommeux. Crédit :Sean Kelley/NIST
Avez-vous entendu parler des smartphones pliables ? Que diriez-vous de l'écran de télévision flexible qui s'enroule dans une boîte ? Ou les téléviseurs « papier peint » ultra-fins qui ne font que quelques millimètres d'épaisseur ?
Un avenir avec pliable, pliable, l'électronique flexible et ultra-mince devient rapidement notre présent. Les matériaux responsables de ces biens de consommation sont généralement des polymères - des plastiques - qui conduisent l'électricité. Pour mieux comprendre cette classe prometteuse de substances, des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont développé une technique qui utilise la lumière pour tester rapidement et avec précision la conductivité des matériaux et potentiellement révéler un comportement que d'autres méthodes ne pourraient pas. Maintenant, l'équipe du NIST a démontré l'utilité supplémentaire de cette méthode basée sur la lumière en l'utilisant pour découvrir le comportement d'un polymère que personne n'avait vu auparavant.
Les scientifiques rapportent leurs résultats aujourd'hui dans le Journal de chimie physique C .
Le travail est la dernière contribution du NIST à la quête pour développer des outils de mesure pour étudier de nouveaux matériaux à utiliser dans tous les différents types de transmission électronique, des biocapteurs pliables aux téléphones portables et aux cellules solaires.
« Il existe un marché en croissance pour les écrans flexibles et les smartphones, et garder les choses plus petites, plus flexible et plus facile à produire en masse, " a déclaré Tim Magnanelli, Chercheur chimiste NIST et boursier postdoctoral du National Research Council. "La rationalisation du processus de test de conductivité pourrait être très précieuse pour les chercheurs de l'industrie qui veulent juste savoir, « Allons-nous dans la bonne direction avec une modification particulière ? Cela améliore-t-il le matériau ? »
Plastiques conducteurs d'électricité
La plupart des appareils grand public tels que les ordinateurs portables et même les ordinateurs des machines à laver sont basés sur la technologie du silicium. Le silicium est un excellent matériau pour contrôler la conduction de l'électricité en raison de la facilité avec laquelle les « porteurs de charge » sont capables de se déplacer à l'intérieur d'un cristal de silicium. Les porteurs négatifs sont des électrons; les porteurs positifs sont appelés "trous" et sont des endroits où un électron manque.
Bien que les plastiques aient été étudiés et largement utilisés depuis le 19ème siècle, les plastiques conducteurs commencent tout juste à être utilisés pour l'électronique commerciale grand public. Ils ont tendance à être un peu moins efficaces que le silicium pour conduire l'électricité, ce qui signifie qu'il y a généralement moins de mouvement des porteurs de charge dans les matériaux. Cependant, les plastiques ne sont pas seulement flexibles là où le silicium est rigide, ils sont également plus légers et plus personnalisables et sont souvent moins chers et plus faciles à fabriquer. Ils peuvent même être transparents.
Construit comme un ver gommeux :chaque brin de PCDTPT est composé de deux parties qui alternent comme les couleurs d'un ver gommeux. Une partie (bleue) est un donneur d'électrons, ce qui signifie qu'il a tendance à donner des électrons. L'autre partie (verte) est un accepteur d'électrons, ce qui signifie qu'il attire les électrons. L'emballage de nombreux brins PCDTPT les uns à côté des autres dans un film mince permet aux électrons de se déplacer librement sur le matériau, conduire l'électricité. Crédit :Sean Kelley/NIST
La façon typique de tester la conductivité d'un matériau consiste à souder des contacts dessus. Mais tandis que les contacts se fixent bien au silicium, il n'est pas toujours possible d'établir une bonne connexion avec un polymère. Même avec une bonne connexion, il peut encore y avoir des défauts à la surface du matériau qui altèrent sa conductivité mesurée. L'application de contacts à chaque échantillon prend également du temps, allongeant le processus de test et empêchant potentiellement les fabricants d'utiliser l'échantillon comme composant de l'appareil.
Pour résoudre ces problèmes, il y a quelques années, le chimiste du NIST, Ted Heilweil, a conçu un moyen sans contact de mesurer la conductivité directionnelle qui repose sur deux types de lumière. D'abord, il utilise des impulsions ultracourtes de lumière visible pour créer des électrons et des trous dans un échantillon. Puis, il éclaire l'échantillon avec un rayonnement polarisé térahertz (THz), qui a une longueur d'onde beaucoup plus longue que ce que l'œil humain peut voir, dans l'infrarouge lointain jusqu'aux micro-ondes.
Contrairement à la lumière visible, La lumière THz peut pénétrer même des matériaux opaques tels que des échantillons de polymères relativement épais et des semi-conducteurs solides. La quantité de lumière qui pénètre dans l'échantillon dépend du nombre de porteurs de charge qui se déplacent librement, indiquant sa conductivité. Cette nouvelle méthode révèle également si les charges se déplacent plus facilement à travers le matériau dans une direction particulière.
Découvertes surprises
Dans la dernière étude, Heilweil et Magnanelli utilisent pour la première fois leur méthode THz sur deux polymères conducteurs, choisis car ce sont des polymères simples à étudier et à comparer. La première, appelé PCDTPT, est relativement nouveau. Une chaîne de celui-ci se compose de deux molécules différentes connectées bout à bout et alternant comme les couleurs d'un ver gommeux. Une molécule de la chaîne est un "donneur, " qui absorbe la lumière et produit des porteurs de charge. L'autre molécule est un " accepteur, " qui attire les porteurs de charges, les incitant à se déplacer le long de la chaîne et autour de l'échantillon.
Le deuxième polymère testé dans ce travail, appelé P3HT, a été utilisé à des fins de comparaison parce qu'il a été beaucoup plus étudié. Il ne contient qu'une seule molécule répétitive et a un effet plus aléatoire, structure moins ordonnée que PCDTPT. Par rapport au silicium, Le PCDTPT donne environ trois ordres de grandeur en moins de conduction, et P3HT donne environ quatre ordres de grandeur de moins.
Heilweil et Magnanelli ont d'abord testé les deux substances sous forme de nanofilms, essentiellement un échantillon mince mais solide. Leur objectif était de contraster les propriétés conductrices du film PCDTPT lors de l'examen le long des brins par rapport aux autres.
Puis ils, suspendu les deux molécules dans un liquide non conducteur qui les empêchait d'interagir électroniquement et de communiquer entre elles. Comme prévu par les expériences précédentes, la solution P3HT n'a montré aucune conductivité mesurable.
Solide contre liquide :en utilisant des vers gommeux en remplacement des brins PCDTPT, ces images représentent le matériau PCDTPT sous deux formes :sous forme solide (en haut) et en suspension dans un liquide (en bas). Sous forme solide, les vers gommeux se touchent, et l'électricité peut circuler d'un ver à un autre. En suspension dans un liquide, bien que, chaque ver gommeux est plus isolé, et l'électricité ne peut pas circuler aussi facilement entre les vers. Dans l'expérience du NIST, les chercheurs ont découvert que les brins PCDTPT étaient tout aussi conducteurs dans le liquide que sous forme solide, ce qui suggère que la conductivité ne se produit pas tant entre les brins/vers gommeux que le long d'un seul brin/ver gommeux. Crédit :Sean Kelley/NIST
A leur grande surprise, cependant, la solution PCDTPT a montré une conductivité. Non seulement que, mais il montrait autant de conductivité en solution que sous forme solide.
"C'était incroyable, " Heilweil a déclaré. "Nous n'avons jamais vu ce comportement dans aucun autre polymère auparavant."
Parce que les molécules de PCDTPT étaient plus isolées les unes des autres dans l'échantillon liquide, la découverte implique pour les chercheurs que la conductivité dans le PCDTPT se produit à l'intérieur et le long des brins de polymère individuels (c'est-à-dire à l'intérieur d'un seul ver gommeux), pas entre des brins de polymère (c'est-à-dire entre différents vers gommeux), contrairement à ce que la plupart des scientifiques pensaient auparavant.
« Nous n'aurions pas pu découvrir cette information en utilisant la méthode conventionnelle, méthode basée sur les contacts, " a déclaré Magnanelli.
Le physicien du NIST Lee Richter et le chercheur invité Sebastian Engmann, qui a préparé les échantillons, avait testé des matériaux polymères directionnels de manière conventionnelle, en appliquant des contacts. L'utilisation de la méthode térahertz « a fait un pas de plus » en permettant aux chercheurs « non seulement de considérer ce qui se passe à la surface où vous mettez le contact, mais au lieu de regarder à travers toute la couche, " a déclaré Magnanelli.
Avancer, Heilweil et Magnanelli espèrent explorer les propriétés de polymères similaires disponibles dans le commerce et d'autres obtenus par Richter. La conductivité surprise du PCDTPT en suspension dans un liquide "pourrait être la pointe de l'iceberg, car peut-être qu'un autre polymère aura également une bien meilleure conductivité que prévu", a déclaré Magnanelli. "Le ciel est la limite."
Bien que ni le PCDTPT ni le P3HT eux-mêmes ne soient particulièrement utiles pour les appareils électroniques grand public à grande échelle, Heilweil souligne que poser les bonnes questions, en trouvant de nouvelles et meilleures façons de concevoir, orienter et mesurer les propriétés des matériaux - peut montrer aux chercheurs qu'un matériau auparavant inintéressant peut fonctionner bien mieux que quiconque ne le pensait.
"La prédiction peut être que même si nous sommes encore à l'enfance en termes de compréhension du comportement de ces polymères, nous pourrions arriver à un point où ils sont si bons qu'ils rivalisent même avec le silicium, " Heilweil a dit. " C'est un long shot, mais très possible."
