Les semi-conducteurs organiques sont des candidats très prometteurs comme matériaux de départ pour la fabrication de produits bon marché, composants électroniques de grande surface et flexibles tels que les transistors, diodes et capteurs à une échelle allant du micro au nano. Une condition de réussite pour atteindre cet objectif est la capacité d'assembler des composants avec des liaisons électriquement conductrices - en d'autres termes, pour créer un circuit électronique. Des scientifiques européens ont développé une nouvelle méthode qui leur permet de créer des réseaux simples de nanofils organiques.

Lorsque le physicien espagnol Angel Barranco est revenu à Valence après trois ans de recherche à l'Empa, il a initié le projet européen PHODYE avec, entre autres, ses anciens collègues de l'Empa. L'objectif est de développer des capteurs de gaz très sensibles, pour surveiller les émissions des véhicules routiers, par exemple, ou pour avertir rapidement le personnel de laboratoire et les mineurs de la présence de substances vénéneuses. Les capteurs sont basés sur des films minces fluorescents qui changent de couleur et deviennent fluorescents au contact de certaines molécules de gaz.

« On pensait à une sorte de clé électronique pour les applications de sécurité, qui ne réagirait qu'à certaines conditions optiques, " explique Pierangelo Groening, physicien de l'Empa. Pour cela, il faut de la transparence, films minces fortement fluorescents, Groening et Barranco ont donc développé un procédé de dépôt par plasma afin de stocker des molécules de colorant fluorescent telles que les métallo-proyphines, pérylènes et phtalocyanines non modifiés et à fortes concentrations en SiO 2 ou TiO 2 couches.

Il est vite devenu évident que si certaines molécules de gaz se déposaient sur des particules de colorant dans les films minces, puis ceux-ci sont devenus fluorescents à différentes longueurs d'onde et le film mince a changé de couleur en conséquence. Si différents colorants sont utilisés, les gaz toxiques pour l'homme peuvent être détectés à de très faibles concentrations.

Cependant, pour de nombreuses applications de capteurs, il est important que le temps de réponse soit le plus court possible, ce qui n'est guère possible avec des couches de colorant plasma compactes. Il est, d'autre part, possible avec des couches qui ont une structure très poreuse, ressemblant à la sieste d'un tapis à l'échelle nanométrique. Les scientifiques espèrent tirer d'autres avantages de ces couches car elles augmentent la surface sur laquelle les molécules de gaz à détecter peuvent s'adsorber, et aussi raccourcir les distances de diffusion, permettant au capteur de répondre plus rapidement. La physicienne Ana Borras a alors développé un nouveau procédé de dépôt sous vide pour synthétiser des nanofils organiques.

Entre-temps, les chercheurs de l'Empa ont progressé, apprendre à fabriquer des nanofils aux caractéristiques très variables en sélectionnant judicieusement la molécule de départ et les conditions expérimentales. Les nanofils de molécules de métallo-phtalocyanine ont des diamètres d'à peine 10 à 50 nanomètres et une longueur allant jusqu'à 100 microns. Ce qui est inhabituel et inattendu dans la nouvelle méthode, c'est qu'en contrôlant exactement la température du substrat, flux de molécules et traitement du substrat, les nanofils organiques développent un effet jusqu'alors jamais atteint, structure parfaitement monocristalline.

Immédiatement après la réalisation des premières études au microscope électronique, il était clair pour Groening que le nouveau procédé pouvait non seulement fournir des nanofils pour les capteurs de gaz, mais aussi permettre de créer des "circuits électriques à nanofils" complexes pour des applications électroniques et optoélectroniques telles que l'énergie solaire. cellules, transistors et diodes. En effet, les différents types de nanofils peuvent être combinés selon les besoins pour former des réseaux aux propriétés très variables, comme le rapportent Groening et ses collègues dans la revue scientifique Matériaux avancés .

L'astuce pour y parvenir réside dans une deuxième étape au cours de laquelle les nanofils qui poussent à la surface sont « décorés » avec des nanoparticules d'argent par un procédé de revêtement par pulvérisation cathodique. Une cible, dans ce cas une pièce d'argent massif, est bombardé d'ions énergétiques, faire tomber les atomes d'argent qui entrent dans la phase gazeuse et se déposent sur les nanofils. Dans une dernière étape, l'équipe de l'Empa cultive désormais davantage de nanofils qui, grâce aux particules d'argent, sont en contact électrique avec les fils d'origine - la base d'un circuit électrique à l'échelle nanométrique.

Les premières mesures de conductivité électrique, réalisé à l'aide d'un microscope à tunnel à balayage à quatre pointes sous ultra vide, a dépassé les attentes les plus optimistes - le matériau est d'une qualité exceptionnellement élevée. "Cela ouvre la possibilité de pouvoir bientôt fabriquer des matériaux semi-conducteurs organiques, " dit Groening avec assurance. " Et cela, trop, en utilisant un procédé simple et économique." Entre-temps, les chercheurs ont réussi à synthétiser des structures de plus en plus complexes de nanofils, et a réussi à les relier ensemble en utilisant beaucoup d'habileté et une touche sûre.

Prendre, par exemple, nanofils constitués de tronçons réalisés avec différentes molécules de départ. Si ces molécules peuvent transporter soit uniquement des charges positives, soit uniquement des charges négatives, puis une diode est créée qui permet au courant de circuler dans un seul sens. Groening suppose qu'il est tout à fait possible qu'un jour des composants pour la nanoélectronique et la nanophotonique soient fabriqués à l'aide de cette technique.