Petites molécules, potentiel géant (de surface)

Les nouvelles molécules créées par des chercheurs de l'Université de Kyushu s'alignent, en moyenne, sur la même partie de la molécule pointant vers une surface. En attachant différentes unités qui poussent ou tirent des électrons chargés négativement vers ou loin de cette section déterminant l'orientation, les chercheurs ont pu obtenir des champs électriques dans des couches minces de matériaux lorsque les molécules s'alignent spontanément lors du dépôt sur une surface pour créer un potentiel de surface géant. Cette figure montre deux de ces molécules, le rouge indiquant les zones de charge plus négative et les zones bleues de charge moins négative. Bien que l'unité commune au milieu s'aligne généralement loin de la surface, les différentes unités environnantes entraînent des champs positifs ou même négatifs à la surface. Ce nouveau niveau de contrôle des champs électriques dans les couches minces pourrait être utilisé pour améliorer les performances des diodes électroluminescentes organiques et pour réaliser de nouveaux dispositifs qui convertissent les vibrations en électricité. Crédit :Université de Kyushu

Dans un exploit moléculaire semblable à amener les piétons dans un passage pour piétons à marcher spontanément, des chercheurs de l'Université de Kyushu ont créé une série de molécules qui ont tendance à faire face à la même direction pour former un "potentiel de surface géant" lorsqu'elles s'évaporent sur une surface.

Les chercheurs espèrent utiliser l'approche pour générer des champs électriques contrôlés qui aident à améliorer l'efficacité des diodes électroluminescentes organiques utilisées dans les écrans et l'éclairage et ouvrir de nouvelles voies pour réaliser des dispositifs qui convertissent les vibrations en électricité avec des matériaux organiques.

Basée sur la fantastique polyvalence chimique du carbone qui rend les organismes vivants possibles, l'électronique organique est déjà à l'origine d'une vague d'écrans de smartphone et de télévision dynamiques, voire flexibles, avec des applications dans les cellules solaires, les lasers et les circuits à l'horizon.

Cette flexibilité est en partie due à la nature désordonnée des couches minces des matériaux utilisés dans les dispositifs. Contrairement à l'électronique inorganique commune basée sur des atomes de silicium étroitement connectés dans des cristaux rigides et bien organisés, les composés organiques forment généralement des couches "amorphes" qui ne sont pas aussi bien organisées.

Malgré l'organisation apparemment aléatoire des molécules, les chercheurs ont découvert que certaines ont en fait tendance à s'aligner dans des directions similaires, ce qui a un impact profond sur les propriétés d'un appareil et crée de nouvelles possibilités pour contrôler les performances de l'appareil.

"Des travaux importants ont déjà été effectués sur des molécules qui s'alignent de manière à ce que la lumière qu'elles émettent puisse plus facilement s'échapper d'un appareil", déclare Masaki Tanaka, professeur adjoint à l'Université d'agriculture et de technologie de Tokyo (TUAT) qui a commencé le présent travail tout en au Centre de recherche en photonique et électronique organiques (OPERA) de l'Université de Kyushu et a poursuivi ses études sur l'alignement moléculaire dans les films amorphes après son transfert au TUAT.

"Cependant, d'autres molécules étaient connues pour s'aligner d'une manière qui met plus de leurs électrons d'un côté de la couche, conduisant à un soi-disant potentiel de surface accompagné d'un champ électrique. Ce champ peut aider les charges à entrer ou sortir d'un dispositif pour le rendre plus efficace ou débloquer de nouvelles propriétés électriques, mais trouver des moyens de contrôler la formation du champ a été un défi."

Les films utilisés dans l'électronique organique ne mesurent généralement que quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur - une fraction de l'épaisseur d'un cheveu humain - et sont souvent construits progressivement en chauffant d'abord une poudre organique dans le vide afin qu'elle passe directement d'un solide à un gaz, un processus connu sous le nom de sublimation. Lorsque les molécules de la poudre sublimée atteignent une surface froide, elles se collent pour former une couche.

"En phase gazeuse, les molécules tournent de manière aléatoire et se heurtent les unes aux autres, elles sont donc susceptibles de se déposer dans une direction aléatoire sur un film", explique Morgan Auffray, qui a synthétisé les molécules. "Cependant, nous avons découvert que certaines unités moléculaires contenant des atomes de fluor se repoussent essentiellement de la surface de dépôt. En incluant ces unités dans une molécule, nous pouvons aligner grossièrement les molécules déposées, avec les unités fluorées tournées vers l'extérieur."

Les chercheurs ont ensuite attaché des pièces qui poussent et tirent les électrons chargés négativement vers ou loin de l'unité fluorée. Ce déséquilibre des charges à travers les molécules alignées sur une surface conduit à ce que l'on appelle le potentiel de surface et un champ électrique résultant.

"Étant donné que les molécules déposées et leurs champs électriques associés pointent dans une direction similaire, les minuscules champs individuels s'additionnent pour produire un champ global beaucoup plus grand", explique Tanaka. "Non seulement nous pouvons obtenir un champ relativement plus grand, mais nous pouvons aussi le faire pointer vers la surface, ce qui a été rarement signalé jusqu'à présent."

Ces couches produisent un potentiel de surface géant de près de 10 V, ce qui est particulièrement impressionnant si l'on considère qu'il a été produit spontanément par un film de seulement 100 nm d'épaisseur.

Une tension aussi élevée sur une si petite épaisseur produit un champ électrique élevé qui peut aider à obtenir des charges positives et négatives dans les différentes couches d'appareils comme les OLED, améliorant ainsi l'efficacité globale de conversion de puissance.

De plus, ces structures électriques intégrées contrôlées pourraient aider à la réalisation de nouveaux dispositifs. Les chercheurs ont déjà démontré que les couches pourraient être utilisées dans un nouveau type d'appareil qui convertit les vibrations en électricité, mais il reste encore du travail à faire pour rendre ces appareils pratiques.

"La science continue de nous montrer de nouvelles façons de contrôler les processus électriques à une échelle de plus en plus petite en arrangeant des atomes dans des molécules organiques", explique Chihaya Adachi, directeur d'OPERA. "Cette recherche s'ajoute à notre sac à outils, ce qui rendra possible de nouveaux appareils à mesure qu'il continue de croître."

La recherche a été publiée dans Nature Materials . + Explorer plus loin