Cette photo montre un réseau de semi-conducteurs organiques monocristallins de 1 mm de large sur 2 cm de long. Les bandes bleues soigneusement alignées sont ce qui offre une plus grande mobilité de charge électrique. Le logo Stanford montré ici est de la même taille qu'un centime. Crédit :Y. Diao et al.
Les chercheurs du SLAC et de Stanford ont développé un nouveau procédé d'impression pour l'électronique organique à couche mince qui donne des films d'une qualité remarquablement supérieure.
Grâce à des innovations dans un processus d'impression, les chercheurs ont apporté des améliorations majeures à l'électronique organique - une technologie en demande pour le poids léger, cellules solaires à bas prix, affichages électroniques flexibles et capteurs minuscules. La méthode d'impression est rapide et fonctionne avec une variété de matériaux organiques pour produire des semi-conducteurs d'une qualité remarquablement supérieure à ce qui a été réalisé jusqu'à présent avec des méthodes similaires.
L'électronique organique est très prometteuse pour une variété d'applications, mais même les films de la plus haute qualité disponibles aujourd'hui ne conduisent pas bien le courant électrique. L'équipe du SLAC National Accelerator Laboratory du département américain de l'Énergie (DOE) et de l'Université de Stanford ont mis au point un processus d'impression qu'ils appellent FLUENCE (ingénierie des cristaux améliorée par les fluides) qui, pour certains matériaux, produit des films minces capables de conduire l'électricité 10 fois plus efficacement que ceux créés à l'aide de méthodes conventionnelles.
"Encore mieux, la plupart des concepts derrière FLUENCE peuvent évoluer pour répondre aux exigences de l'industrie, " dit Ying Diao, chercheur postdoctoral SLAC/Stanford et auteur principal de l'étude, qui est paru aujourd'hui dans Matériaux naturels .
Stefan Mannsfeld, un physicien des matériaux du SLAC et l'un des principaux investigateurs de l'expérience, a déclaré que la clé était de se concentrer sur la physique du processus d'impression plutôt que sur la composition chimique du semi-conducteur. Diao a conçu le processus pour produire des bandes de gros, cristaux parfaitement alignés que la charge électrique peut traverser facilement, tout en préservant les avantages de la structure en "réseau tendu" et de la technique d'impression en "cisaillement de solution" précédemment développées dans le laboratoire du co-chercheur principal de Mannsfeld, Professeur Zhenan Bao du Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, un institut conjoint SLAC-Stanford.
Cette micrographie électronique à balayage montre les micropiliers intégrés dans la lame de cisaillement utilisée dans le processus d'impression. Les piliers mesurent 35 micromètres sur 42 micromètres - moins de la moitié de la largeur d'un cheveu humain moyen dans les deux sens - et mélangent la solution de semi-conducteur organique, s'assurer qu'il est déposé uniformément. Crédit :Crédit :Y. Diao et al.
Pour avancer, Diao s'est concentré sur le contrôle du débit du liquide dans lequel la matière organique est dissoute. "C'est une pièce vitale du puzzle, " dit-elle. Si le flux d'encre ne se répartit pas uniformément, comme c'est souvent le cas lors d'une impression rapide, les cristaux semi-conducteurs seront criblés de défauts. "Mais dans ce domaine, peu de recherches ont été effectuées sur le contrôle du débit de fluide."
Diao a conçu une lame d'impression avec de minuscules piliers intégrés qui mélangent l'encre pour former un film uniforme. Elle a également conçu un moyen de contourner un autre problème :la tendance des cristaux à se former de manière aléatoire sur le substrat. Une série de motifs chimiques intelligemment conçus sur le substrat supprime la formation de cristaux indisciplinés qui se développeraient autrement hors de l'alignement avec la direction d'impression. Le résultat est un film de grande taille, cristaux bien alignés.
Les études aux rayons X des semi-conducteurs organiques du groupe à la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) leur ont permis d'inspecter leurs progrès et de continuer à apporter des améliorations, montrant finalement des cristaux soigneusement disposés au moins 10 fois plus longs que les cristaux créés avec d'autres techniques basées sur des solutions, et d'une perfection structurelle beaucoup plus grande.
Le groupe a également répété l'expérience en utilisant un deuxième matériau semi-conducteur organique avec une structure moléculaire significativement différente, et encore une fois, ils ont vu une amélioration notable de la qualité du film. Ils pensent que c'est un signe que les techniques fonctionneront sur une variété de matériaux.
Cette image montre une micrographie optique à polarisation croisée comparant un échantillon d'un film semi-conducteur organique créé sans micropiliers (en haut) et avec des micropiliers (en bas) à des échelles d'un millimètre et de 50 micromètres. Notez l'uniformité des cristaux dans l'image du bas par rapport à l'image du haut. Crédit :Crédit :Y. Diao et al.
Les chercheurs principaux, Bao et Mannsfeld, affirment que la prochaine étape pour le groupe consiste à déterminer la relation sous-jacente entre le matériau et le processus qui a permis un résultat aussi remarquable. Une telle découverte pourrait fournir un degré de contrôle sans précédent sur les propriétés électroniques des films imprimés, en les optimisant pour les appareils qui les utiliseront.
"Cela pourrait conduire à une avancée révolutionnaire dans l'électronique organique, " a déclaré Bao. " Nous avons fait d'excellents progrès, mais je pense que nous ne faisons qu'effleurer la surface."
