La Silicon Valley en Californie et les Silicon Slopes dans l'Utah doivent leur nom à l'élément le plus associé aux semi-conducteurs, l'épine dorsale de la révolution informatique. Tout ce qui est informatique ou électronique dépend de semi-conducteurs, une substance ayant des propriétés qui conduisent le courant électrique dans certaines conditions. Les semi-conducteurs traditionnels sont fabriqués à partir de matériaux inorganiques, comme le silicium, dont la production nécessite de grandes quantités d'eau et d'énergie.
Depuis des années, les scientifiques tentent de créer des alternatives respectueuses de l’environnement en utilisant des matériaux organiques, tels que des polymères. Les polymères se forment en reliant de petites molécules entre elles pour former de longues chaînes. Le processus de polymérisation évite de nombreuses étapes énergivores requises dans la fabrication traditionnelle de semi-conducteurs et utilise beaucoup moins d'eau et moins de gaz et de produits chimiques.
Ils sont également peu coûteux à fabriquer et permettraient d'introduire des composants électroniques flexibles, des capteurs portables et des dispositifs biocompatibles qui pourraient être introduits à l'intérieur du corps. Le problème est que leur conductivité, bien que bonne, n'est pas aussi élevée que celle de leurs homologues inorganiques.
Tous les matériaux électroniques nécessitent un dopage, une méthode d'infusion de molécules dans les semi-conducteurs pour augmenter la conductivité. Les scientifiques utilisent des molécules appelées dopants pour définir les parties conductrices des circuits électriques. Le dopage des matériaux organiques a contrarié les scientifiques en raison d'un manque de cohérence :parfois les dopants améliorent la conductivité tandis que d'autres fois ils l'aggravent.
Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l'Université de l'Utah et de l'Université du Massachusetts à Amherst ont découvert la physique qui détermine les interactions entre les dopants et les polymères et qui explique le problème de conductivité incohérente.
L'équipe a découvert que les porteurs chargés positivement extrayaient les dopants chargés négativement des chaînes polymères, empêchant ainsi la circulation du courant électrique et réduisant la conductivité du matériau. Cependant, leurs expériences ont révélé que lorsque suffisamment de dopants étaient injectés dans le système, le comportement des électrons changeait pour agir comme un écran collectif contre les forces d'attraction, permettant au reste des électrons de circuler sans entrave.
"Le cas idéal serait d'injecter un tas d'électrons libres dans le matériau pour effectuer le travail de conduction. Bien sûr, nous ne pouvons pas, nous devons utiliser des molécules pour fournir les électrons", a déclaré Zlatan Akšamija, professeur agrégé de matériaux. science et ingénierie à l’Université et auteur principal de l’étude. "Notre prochaine étape consiste à trouver les combinaisons dopant/matériau organique qui peuvent affaiblir cette interaction et rendre la conductivité encore plus élevée. Mais nous n'avons pas suffisamment bien compris cette interaction pour pouvoir y faire face jusqu'à présent."
L'étude est publiée dans la revue Physical Review Letters. .
L'électricité est un flux d'électrons. Le silicium à lui seul est un mauvais conducteur :quatre électrons dans l’orbitale externe forment des liaisons covalentes parfaites avec les atomes de silicium proches, ne laissant aucun électron libre. C'est ici que le dopage entre en jeu. L'ajout d'une impureté au silicium peut faire deux choses :apporter des électrons supplémentaires au système ou réduire les électrons dans le système, créant ainsi des porteurs chargés positivement appelés trous.
Par exemple, l’arsenic est un dopant courant car il possède cinq électrons sur son orbitale externe :quatre se lieront au silicium et le cinquième restera libre. Finalement, les dopants apporteront suffisamment d'électrons libres pour permettre à un courant électrique de circuler à travers le silicium.
Contrairement au silicium, les matériaux organiques ont une structure désordonnée dans leurs chaînes polymères, ce qui entraîne des interactions compliquées entre les électrons supplémentaires du dopant et le matériau polymérisé, a expliqué Akšamija.
"Imaginez que les polymères soient un bol de spaghettis. Ils ne s'empilent pas vraiment parfaitement. À cause de cela, les électrons sont obligés de sauter d'une partie du polymère à une autre et sur la chaîne suivante, poussés par la tension", a-t-il déclaré.
Chaque dopant apporte un électron à la fois au système, ce qui signifie que, dans un premier temps, les électrons qui traversent le polymère sont dilués. Si un électron saute le long de la chaîne et passe à proximité d'un dopant, les charges opposées s'attireront et feront dévier l'électron et perturberont le courant électrique.
La révélation de cette étude a été de découvrir que ce comportement changeait avec une masse critique d’électrons dans le système :lorsqu’un seuil est dépassé, la foule d’électrons répond collectivement. Lorsqu'un groupe d'électrons passe devant un dopant, certains sont attirés vers la charge et créent un écran qui empêche le reste des électrons de ressentir l'interaction.
"Et c'est là que le dépistage fait réellement le travail de bloquer les dopants. Les porteurs filtrent les dopants, ce qui permet aux autres porteurs de se déplacer plus efficacement. Cet article décrit le mécanisme physique par lequel cela se produit", a déclaré Akšamija.
Les chimistes de l'UMass Amherst ont mené les expériences physiques. Ils ont utilisé deux types de polymères dont les structures étaient plus ou moins désordonnées. Ils ont ensuite utilisé un solvant et l’ont appliqué sur une fine couche de verre. Ils ont ensuite dopé le polymère avec des vapeurs d'iode. L'un des avantages de l'iode est qu'il est instable :au fil du temps, le polymère perd progressivement ses molécules dopantes par évaporation.
"Cela a été utile pour les expériences car nous pouvons continuer à mesurer la conductivité du polymère sur une période de 24 ou 48 heures. Ce protocole nous donne une courbe de conductivité en fonction du nombre de dopants restant dans le matériau", a déclaré Dhandapani Venkataraman. , professeur de chimie à l'UMASS Amherst et co-auteur de l'étude.
"C'est une astuce intéressante pour accéder à près de quatre ordres de grandeur de charge en conductivité, depuis des concentrations faibles, moyennes ou élevées de dopants… jusqu'à revenir essentiellement à son état isolant d'origine."
Les chimistes ont mené des expériences sur deux versions différentes du même polymère :l’une plus régulière et l’autre plus désordonnée. Ils ont ensuite pu comparer la conductivité des deux polymères à mesure que la concentration en dopant changeait.
"Au début, nous étions intrigués par certains résultats expérimentaux, en particulier lorsque nous avions un grand nombre de dopants. Nous nous attendions à ce que le polymère désordonné soit très inférieur au polymère ordonné à toutes les concentrations de dopants. Mais ce n'était pas le cas. cas", a déclaré Venkataraman.
Le groupe de recherche d'Akšamija s'est concentré sur les interactions des matériaux. Ils ont pu comparer les différentes instances du même polymère avec des quantités de désordre plus ou moins grandes pour discerner où se produisait le dépistage.
Ce comportement d'écran n'avait jamais été considéré comme faisant partie des systèmes semi-conducteurs organiques, ils ont donc sorti du papier et des crayons pour comprendre comment les molécules et les charges interagissent en utilisant les premiers principes de la physique :quelle est l'équation sous-jacente qui régit l'interaction des charges ? Le laboratoire d'Akšamija a commencé là-bas et l'a reconstruit. Ils ont ensuite traduit les formules en code simulant le saut d'électrons en présence de dopants tout en incluant le comportement de filtrage.
"Nous avons finalement convergé vers le point où les simulations informatiques peuvent réellement capturer les expériences, non seulement qualitativement, mais vraiment quantitativement. La seule façon d'aligner la simulation et les expériences était d'inclure cet effet de dépistage", a déclaré Akšamija.
Actuellement, les auteurs utilisent l'intelligence artificielle pour découvrir de nouvelles combinaisons de polymères et de dopants qui pourraient produire la conductivité la plus élevée.
Plus d'informations : Muhamed Duhandžić et al, Carrier Screening Controls Transport in Conjugated Polymers at High Doping Concentrations, Physical Review Letters (2023). DOI :10.1103/PhysRevLett.131.248101. SurarXiv :DOI:10.48550/arxiv.2311.03726
Fourni par l'Université de l'Utah
