Dans la simplicité, méthode de modelage de polymère à haute résolution, un laser infrarouge dessine une image générée par ordinateur sur un DVD recouvert d'un film de nanofibres de polyaniline conductrices. Crédit d'image : Fort, et al. ©2011 Société chimique américaine
(PhysOrg.com) -- L'électronique organique - celles qui impliquent des conducteurs à base de carbone au lieu du cuivre ou du silicium traditionnels - présentent un certain nombre d'avantages par rapport à l'électronique métallique, y compris leur légèreté, la flexibilité, une plus grande efficacité, et à moindre coût. Mais l'une des plus grandes choses qui les retient est l'absence d'un simple, méthode peu coûteuse pour modeler et imprimer des matériaux organiques. Maintenant dans une nouvelle étude, une équipe de chercheurs des États-Unis et d'Australie a développé une technique de modelage dans laquelle des polymères conducteurs peuvent être imprimés avec un laser infrarouge à faible coût sur un CD ou un DVD ordinaire en utilisant la technologie LightScribe disponible dans le commerce.
Comme R. Kaner de l'Université de Californie, Los Angeles, avec G. Wallace de l'Université de Wollongong, Australie, et les coauteurs expliquent dans leur étude dans un récent numéro de Lettres nano , la technique de modelage des polymères, simple mais efficace, pourrait propulser de nombreux dispositifs organiques de preuve de concept actuels dans la fabrication à grande échelle. Ces dispositifs comprennent des diodes électroluminescentes organiques, transistors organiques à couche mince, et des microactionneurs organiques.
LightScribe, qui a été développé par les ingénieurs de Hewlett-Packard, utilise le laser infrarouge à l'intérieur d'un lecteur de CD/DVD pour enregistrer des données sur un disque CD ou DVD, ainsi que d'imprimer des étiquettes contenant du texte et des images à la surface des disques. Pour réaliser ces étiquettes, le laser émet des impulsions de haut en bas pour activer chimiquement un revêtement de colorant spécialisé sur la surface du disque.
Au lieu d'imprimer sur ce revêtement spécialisé, ici les chercheurs ont recouvert le disque d'un film de nanofibres de polyaniline conductrices, qui peut ensuite être directement imprimé. Lorsque la lumière du laser infrarouge est absorbée par la polyaniline nanostructurée, un effet photothermique inhabituel se produit, dans lequel le polymère convertit la majeure partie de sa lumière absorbée en chaleur.
La chaleur générée puis « soude au laser, » ou des liens croisés, les chaînes moléculaires et les fibres supramoléculaires ensemble pour modifier la morphologie de surface d'une petite zone du polymère. Après le traitement au laser, la zone soudée du polymère passe d'un tapis nanofibreux enchevêtré à un lisse, film continu résultant d'une réticulation chimique. Les nanofibres de polyaniline étant de mauvais conducteurs de chaleur, la chaleur ne se propage pas au-delà des lignes laser, résultant en une séparation bien définie entre les zones soudées et non soudées. La ligne laser émise par le laser infrarouge dans le lecteur CD/DVD a un diamètre d'environ 0,7-1 µm, permettant une résolution et une précision exceptionnelles.
En plus de la haute résolution, le procédé de soudage laser offre également un degré élevé de contrôle sur la conductivité et les propriétés optiques du polymère conducteur soudé, ce qui n'est pas possible avec les approches précédentes de la structuration des polymères. Les zones soudées montrent une diminution significative de la conductivité du film, que les chercheurs attribuent à la perte de dopants et de pi-conjugaison pendant le processus de réticulation. Ils montrent comment l'impression en niveaux de gris peut ajuster la conductivité du polymère, avec des couleurs plus claires en niveaux de gris possédant une conductivité plus élevée. Avec la possibilité d'imprimer des couleurs en niveaux de gris du blanc au noir, les chercheurs ont pu adapter le film de nanofibres de polyaniline du semi-conducteur à l'isolant, représentant un changement de conductivité d'environ 7 ordres de grandeur.
Bien que l'idée d'utiliser un système commercial d'écriture d'étiquettes pour imprimer des appareils électroniques organiques semble assez simple, Veronica Strong de l'Université de Californie, Los Angeles, a expliqué que cela n'en fait pas le premier choix évident pour un laboratoire de recherche.
Pour démontrer la haute résolution de la méthode de structuration, les chercheurs ont utilisé le laser infrarouge pour modeler les logos de l'UCLA et de l'université de Wollongong sur des disques. Crédit d'image : Fort, et al. ©2011 Société chimique américaine
« Il y a plusieurs raisons pour lesquelles cette technique n'a pas été démontrée auparavant, " dit-elle PhysOrg.com . « L'une de ces raisons est que, lorsque nous avons commencé nos premiers tests, LightScribe n'existait que depuis moins de six ans. Encore, plus important, ce type de technologie ne se trouve pas traditionnellement dans un laboratoire et ce ne serait pas la première chose à laquelle on pense lorsqu'on teste des idées. La combinaison de cette technologie avec des polymères conducteurs aurait nécessité un groupe de recherche qui était spécifiquement sur le marché pour une nouvelle technique de modelage et un réglage des propriétés des polymères conducteurs. Notre groupe faisait exactement cela lorsque l'idée a été proposée pour la première fois; En réalité, nous venions d'épuiser toutes les technologies laser traditionnellement utilisées en laboratoire. Ainsi, lorsqu'un collègue a suggéré un lecteur DVD avec la technologie LightScribe, eh bien, nous devions juste l'essayer.
Parmi ses utilisations potentielles, la nouvelle technique pourrait également conduire à des applications par dopage. Les chercheurs ont constaté que les zones soudées ne répondent plus au dopage/dédopage réversible avec des acides ou des bases, tandis que les zones non soudées continuent d'être affectées par le dopage. Cette propriété pourrait être particulièrement utile pour modéliser des électrodes rechargeables pour batteries ou supercondensateurs, qui bénéficient d'un dopage sélectif pour permettre des taux de charge/décharge rapides.
Les chercheurs ont également démontré que la couleur du polymère peut être contrôlée en contrôlant certaines propriétés, tels que l'état d'oxydation de départ, l'intensité laser, et l'étendue de la réticulation. Aussi, différents dérivés de polyaniline absorbent la lumière différemment, ce qui entraîne des variations de couleurs supplémentaires.
À l'avenir, les chercheurs prévoient de développer davantage cette idée en fabriquant des dispositifs électroniques actifs. Ils prédisent que la simple technique de soudage au laser constituera une étape importante vers la modélisation à grande échelle de l'électronique organique à base de polymères. La technique pourrait être utilisée pour modeler une variété de nanofibres polymères conductrices en plus de la polyaniline, et ces polymères peuvent être imprimés sur de nombreux substrats différents, papier compris. Pratiquement n'importe quel motif peut être imprimé, et la même image peut être imprimée à plusieurs reprises sur le même film afin d'augmenter le contraste. Sans avoir besoin de photoresists, masques, ou un traitement post-traitement comme beaucoup d'autres techniques, la nouvelle méthode offre une approche en une étape qui pourrait potentiellement avoir des implications très larges.
« Actuellement, cette technique serait particulièrement utile pour fabriquer des membranes mieux conductrices, microfluidique, et appareils électroniques entièrement organiques, », a déclaré Strong. « La motivation intellectuelle derrière ce travail était de démontrer que nous disposons actuellement des outils nécessaires pour rendre rentables, dispositifs organiques flexibles et actifs électroniquement. Nous espérons que nous pourrons aider à conduire cette réflexion originale en développant de nouvelles méthodes qui utilisent nos idées pour la fabrication d'appareils.
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