Une équipe de recherche internationale a réussi à fabriquer sur un film polymère le premier transistor organique flexible au monde suffisamment robuste sous un processus de stérilisation médicale à haute température. L'étude doit être publiée en ligne dans Communication Nature le 6 mars, 2012.

Dans une société vieillissante avec un taux de natalité en déclin, l'électronique prend de plus en plus d'importance dans le domaine de la santé et de la médecine à mesure que de plus en plus d'appareils informatiques sont introduits. Sur ce fond, une attente devient plus élevée sur un transistor organique, qui est un interrupteur électronique doux. Un transistor organique souple peut être facilement fabriqué sur un film polymère biocompatible, et c'est la raison pour laquelle il est prévu de l'adopter à un moniteur de santé portable sans stress, et/ou des dispositifs implantables tels qu'un stimulateur cardiaque doux. Pour une mise en œuvre pratique, il est crucial (1) d'exploiter au mieux sa douceur et sa biocompatibilité, simultanément (2) pour diminuer la tension d'entraînement jusqu'à quelques V, et (3) pour diminuer le risque d'infections par la stérilisation, pour une raison de sécurité. Jusqu'à maintenant, cependant, les transistors organiques existants présentaient d'énormes obstacles à l'utilisation pratique dans le domaine de la santé et de la médecine. Par exemple, la tension de commande typique pour les écrans est élevée (c'est-à-dire 20 à 80 V) et/ou et elle n'est pas durable sous une stérilisation à haute température.

L'équipe a réussi à fabriquer sur un film polymère un transistor organique qui a une stabilité thermique élevée et une tension de commande de 2V en même temps. Le transistor organique de nouveau type peut être stérilisé dans un procédé de stérilisation standard (traitement thermique à 150 °C) sans être détérioré dans ses performances électriques. La clé pour réaliser un transistor organique résistant à la chaleur réside dans la technique de formation d'un film isolant ultrafin :l'équipe développe une technique pour former des films monocouches auto-assemblés (SAM) extrêmement denses, dont l'épaisseur est aussi petite que 2 nanomètres, sur un film polymérique. Cela leur permet d'élever la température du substrat jusqu'à 150 °C sans créer de trous d'épingle à travers les films SAM pendant le traitement à haute température. On pense qu'un film monocouche ultramince comme le SAM se dégrade facilement par des processus thermiques; cependant, il est démontré de manière inattendue que la SAM densément tassée est stable à 150 °C ou plus. Ce résultat est également prouvé par la caractérisation systématique des structures cristallographiques de SAM à l'aide d'un faisceau de rayonnement synchrotron. Par ailleurs, en adoptant une nouvelle couche d'encapsulation comprenant des matériaux composites organique/métal et des semi-conducteurs organiques extrêmement stables thermiquement et à haute mobilité, la stabilité thermique des transistors organiques est désormais améliorée jusqu'à 150 °C.

Il devrait être plus avantageux d'appliquer ce transistor organique résistant à la chaleur à des dispositifs implantables à long terme, ou à certains dispositifs médicaux tels qu'un cathéter intelligent. Avec ces applications, il est prévu d'élargir l'utilisation du transistor aux appareils médicaux tels que les capteurs à couche mince qui détecteront les tumeurs, inflammations, et ou des cancers.

L'équipe internationale est dirigée par le Dr Takao Someya, qui est professeur à l'Université de Tokyo (Président :Jyunichi Hamada, Doctorat.), un directeur de recherche d'ERATO (Exploratory Research for Advanced Technology) « Someya Bio-Harmonized Electronics Project » de l'Agence japonaise pour la science et la technologie (JST, Président :Michiharu Nnakamura, D.Sc.), et un universitaire mondial de l'Université de Princeton (président :Shirley M. Tilghman, Doctorat.), en collaboration avec le professeur agrégé Tsuyoshi Sekitani de l'Université de Tokyo et le professeur Yueh-Lin (Lynn) Loo de l'Université de Princeton. Ce projet de recherche commun a également été mené avec les institutions suivantes :Max Planck Institute for Solid State Research, Allemagne, Institut national des normes et de la technologie, NIST, NOUS., Université d'Hiroshima, et Nippon Kayaku Co., Japon.

En raison d'une forte baisse du taux de natalité et d'une proportion croissante de personnes âgées, les dispositifs de technologie de l'information (TI) sont rapidement introduits dans le domaine de la santé et de la médecine. L'un des bons exemples est la connexion Internet d'un appareil de santé entre le domicile d'un patient et un hôpital. Internet a permis à un médecin de surveiller la fréquence cardiaque et le poids de la patience loin de chez lui. La miniaturisation des appareils médicaux tels que les endoscopes a réussi à minimiser la charge et/ou le caractère invasif des patients. De cette façon, dans le domaine médical et sanitaire, l'électronique prend de plus en plus d'importance. En effet, sur le marché de la santé et du médical, l'électronique devrait croître de 120 % chaque année jusqu'en 2015.

Dans ce contexte, un transistor organique, qui est un interrupteur électronique flexible, attire beaucoup d'attention car il est facilement fabriqué sur un film polymère biocompatible. Un transistor organique biocompatible conviendrait pour des applications à un système de surveillance de la santé portable sans stress et à des dispositifs implantables tels qu'un stimulateur cardiaque souple. Pour une mise en œuvre pratique, il est crucial (1) d'exploiter au mieux sa douceur et sa biocompatibilité, simultanément (2) pour diminuer la tension d'entraînement jusqu'à quelques V, et (3) pour diminuer le risque d'infections par la stérilisation, pour une raison de sécurité. Jusqu'à maintenant, cependant, les transistors organiques existants présentaient d'énormes obstacles à l'utilisation pratique dans le domaine de la santé et de la médecine. Par exemple, la tension de commande typique pour les écrans est élevée (c'est-à-dire 20 à 80 V) et/ou et elle n'est pas durable sous une stérilisation à haute température.

L'équipe a réussi à fabriquer sur un film polymère un transistor organique qui a la première thermostabilité à 150 °C au monde et simultanément sa tension de commande de 2V. Les clés pour réaliser le transistor organique résistant à la chaleur sont (1) la monocouche auto-assemblée (SAM) et (2) un film d'étanchéité, qui seront discutés plus tard. La stabilité thermique élevée que nous avions réalisée a fait exploser la théorie typique selon laquelle un film monocouche ultramince de quelques nanomètres était facilement affecté par la chaleur. Ce résultat a également été prouvé par l'analyse systématique de caractérisations cristallographiques précises à l'aide d'un faisceau de rayonnement synchrotron, qui sera décrit en (3) en détail. Par ailleurs, le transistor organique a été stérilisé avec succès selon un procédé de stérilisation standard (traitement thermique à 150 °C) sans être détérioré électriquement. Ceci sera discuté en (4).

(1) Isolateur de grille monocouche auto-assemblé (SAM) hautement thermostable

Une technologie clé pour le développement du transistor organique stérilisable est le film monocouche auto-assemblé (SAM) ultramince de 2 nm d'épaisseur. Réduire l'épaisseur d'un film isolant de grille est connu comme le moyen efficace de réduire la tension de commande d'un transistor organique. Pour des raisons de sécurité, il est nécessaire d'amincir un film d'isolant de grille à quelques nanomètres d'épaisseur afin de réduire la tension de pilotage jusqu'à 2V. L'équipe a utilisé un film SAM pour un isolant de grille dans le passé. Ils ont tenté d'optimiser le processus de fabrication du SAM du point de vue de la résistance à la chaleur. Par conséquent, en améliorant sensiblement l'ordre cristallin des films SAM densément tassés sur un film polymère, ils réussissent à former un film isolant qui ne crée pas de trous d'épingle, la cause d'un courant de fuite, même sous un traitement thermique élevé. Cela devient possible en optimisant l'état du plasma pendant le processus de mise en forme des films minces d'oxyde d'aluminium sur le film polymère, ce qui permet d'éviter que le film ne soit endommagé lors d'un processus plasma.

(2) Une couche d'encapsulation comprenant des films composites organiques et métalliques

Une amélioration de la stabilité thermique d'un isolant de grille SAM n'est pas suffisante pour atteindre la stabilité thermique élevée d'un transistor organique. Normalement, les semi-conducteurs organiques qui composent la couche de canal dans le transistor organique sont connus pour être facilement dégradés par la chaleur. Ainsi, un semi-conducteur organique, qui est soigneusement choisi parmi les matériaux résistants à la chaleur, est le dinaphto-thiéno-thiophène (DNTT) dans l'expérience. Par ailleurs, après fabrication d'un transistor organique, le transistor est entièrement recouvert d'un flexible, couche d'encapsulation résistante à la chaleur comprenant des films composites organiques et métalliques (figure 2). La couche d'encapsulation empêche le DNTT de se sublimer à la chaleur, et il empêche les éléments de se détériorer substantiellement. De plus, il est démontré que la caractéristique électronique du transistor organique reste pratiquement inchangée même après immersion dans l'eau bouillante.

(3) Caractérisation structurale de films d'épaisseur nanométrique par faisceaux de rayonnement synchrotron

Les structures cristallographiques des films SAM sont examinées. Pour être précis, le film isolant de grille utilisé dans l'expérience est constitué de deux couches, à savoir, Oxyde d'aluminium de 4 nm d'épaisseur et monocouche auto-assemblée de 2 nm d'épaisseur. La résistance thermique de l'oxyde d'aluminium est connue depuis longtemps; cependant, il n'y a pas eu de rapport publié sur une analyse structurelle sur film SAM, ni un rapport pour prouver la stabilité structurelle du film SAM intégré dans les appareils à haute température. Cela est dû à la difficulté d'analyser la structure d'un film SAM aussi mince avec une seule épaisseur de couche moléculaire en utilisant l'analyse aux rayons X.

L'équipe a tenté de caractériser précisément les structures cristallographiques d'un film SAM afin d'évaluer la résistance thermique d'un transistor organique. Notez que l'épaisseur d'un film SAM est aussi petite que 2 nanomètres. En utilisant un faisceau de rayonnement synchrotron, c'est prouvé, pour la toute première fois, au meilleur de notre connaissance, que la structure cristallographique d'un film SAM présente une détérioration de l'ordre moléculaire même à 150 °C ou à une température supérieure. Ce résultat a renversé de manière inattendue ce qu'on croyait qu'un film monocouche ultramince de quelques nanomètres d'épaisseur doit se dégrader facilement par la chaleur.

L'analyse a été réalisée avec le professeur Yueh-Lin (Lynn) Loo de l'Université de Princeton et un groupe du NIST, et un faisceau de rayonnement synchrotron au Brookhaven National Laboratory est utilisé.

(4) La création de l'électronique médicale flexible

Les transistors organiques hautement thermostables sont capables d'être stérilisés sans se détériorer électriquement. L'équipe a évalué la résistance à la chaleur des éléments pour trois procédés de stérilisation par chauffage standard différents qui sont largement utilisés pour stériliser les appareils médicaux :il s'agit (1) d'un traitement thermique à une température de 150 °C pendant 20 secondes à pression atmosphérique, (2) un traitement thermique à 2 pressions atmosphériques, 121 °C pendant 20 secondes, et (3) une stérilisation par ébullition.

D'abord, la stabilité thermique du transistor organique fabriqué est améliorée par un processus de recuit à 160 °C, qui est légèrement supérieure à la température de recuit typique pour la stérilisation. Seconde, les bactéries sont cultivées sur le transistor mentionné ci-dessus. Finalement, le nombre de bactéries et les caractéristiques électriques sont mesurés avant et après le processus de stérilisation médicale. Par conséquent, presque toutes les bactéries sont mortes après la stérilisation; cependant, les caractéristiques électriques du transistor sont pratiquement inchangées (un niveau négligeable).

Contrairement aux matériaux inorganiques conventionnels, les transistors organiques sont capables de fabriquer des dispositifs électroniques légers et mécaniquement flexibles, car ils peuvent être construits sur un film polymère par un traitement à basse température. Les transistors organiques peuvent également être fabriqués par processus d'impression :cela a permis une réduction drastique des coûts lors de la fabrication de transistors de grande surface, par rapport à ceux fabriqués avec du silicium. L'une des principales applications motrices des transistors organiques est le papier électronique. Jusqu'à maintenant, Someya et ses collègues ont étudié de manière intensive l'application des transistors organiques à des capteurs à grande surface ou à des actionneurs à grande surface. L'équipe a montré la faisabilité de la mise en œuvre de transistors organiques dans l'électronique de grande surface. Une série de leurs réalisations incluent un robot e-skin (2003), un scanner de type feuille (2004), un afficheur braille ultrafin (2005), une fiche de transmission de puissance sans fil (2006), une fiche de communication (2007), une feuille ultrasonore (2008), une mémoire flash (2009).

Récemment, les transistors organiques sont attendus depuis longtemps pour être mis en œuvre dans des dispositifs médicaux et de soins de santé en raison de leur biocompatibilité. Cependant, il est indispensable que ces dispositifs soient stérilisés. Par conséquent, il a été exigé que ces circuits organiques construits sur des films plastiques soient stables par traitement thermique, et qu'ils sont entraînés en basse tension.

Someya et ses collègues ont réussi à fabriquer un transistor organique qui ne se détériore pas après avoir chauffé jusqu'à 150 °C en 2004. Cependant, un polymère organique épais qui a été utilisé comme film isolant a provoqué une tension d'entraînement très élevée, et c'était la raison pour laquelle il ne convenait pas à un usage bio/médical. L'équipe avait tenté de construire des matériaux organiques/inorganiques de quelques nm sur un film plastique en utilisant un auto-assemblage moléculaire, et ils ont finalement prouvé pour la première fois la faisabilité de la résistance à la chaleur du film SAM.

Au cours de la dernière année, ils ont inventé une nouvelle électronique médicale appelée « un cathéter intelligent » utilisant la technique du transistor organique flexible :le nouveau cathéter étroit est recouvert d'un réseau de capteurs de pression (publié dans Matériaux naturels , Royaume-Uni en 2010). Il était inévitable de développer un transistor organique thermostable pour que le nouveau cathéter soit utilisé pratiquement dans les hôpitaux. Ils ont finalement surmonté la barrière.

Les transistors organiques sont mécaniquement flexibles et vraisemblablement biocompatibles car ils sont constitués de matériaux électroniques organiques mous tels que les semi-conducteurs organiques. Les applications attrayantes qui devraient être réalisées par des transistors organiques biocompatibles flexibles incluent «une électronique portable» qui lit les bio-informations de l'extérieur de la peau, ou « une électronique implantable » qui extrait directement la bio-information en implantant l'électronique dans un corps. En effet, Someya et son collègue ont également proposé d'appliquer l'électronique organique ultraflexible pour couvrir un cathéter étroit. Cela ouvre une nouvelle voie au développement d'un capteur à couche mince qui détecte les tumeurs, inflammations, cancers précoces. L'invention élargira sûrement l'utilisation des transistors organiques en tant que dispositifs médicaux. Depuis une flexibilité, une large couverture, et une stabilité électrique sont indispensables à la mise en œuvre de ces dispositifs médicaux, la présente invention servira de technologie de base lors du développement des futurs dispositifs médicaux.

Jusqu'à ce point, les écrans et les cellules solaires ont été considérés comme les principales applications motrices des dispositifs organiques. Les écrans EL organiques et les cellules solaires flexibles organiques sont mis en œuvre rapidement. Cependant, ils ne sont qu'un aperçu des vastes potentiels que possèdent les dispositifs organiques. En effet, les chercheurs du monde entier sont en concurrence pour développer des applications médicales et de santé utilisant la douceur des dispositifs organiques. L'équipe a dominé le domaine des dispositifs flexibles en atteignant le plus petit rayon de courbure minimum au monde (100 µm). Avec la faisabilité montrée avec ces stérilisables, transistors organiques flexibles, la contribution accélérera les recherches sur les applications médicales.

L'article sera publié en ligne dans Communication Nature (Royaume-Uni) le 6 mars, 2012 (GMT)