Les chimistes et les scientifiques des polymères collaborant à l'Université du Massachusetts Amherst rapportent dans Communication Nature cette semaine qu'ils ont pour la première fois identifié une propriété inattendue dans une molécule semi-conductrice organique qui pourrait conduire à des matériaux plus efficaces et plus rentables pour une utilisation dans les écrans de téléphones portables et d'ordinateurs portables, par exemple, et dans les dispositifs opto-électroniques tels que les lasers, les diodes électroluminescentes et les communications par fibre optique.

Le physico-chimiste Michael Barnes et le spécialiste des polymères Alejandro Briseño, avec les doctorantes Sarah Marques, Hilaire Thompson, Nicholas Colella et la chercheuse postdoctorale Joelle Labastide, découvert la propriété, séparation de charge intrinsèque directionnelle, dans des nanofils cristallins d'un semi-conducteur organique dit 7, 8, 15, 16-tétraazaterrylène (TAT).

Les chercheurs ont vu non seulement une séparation efficace des charges dans TAT, mais une directionnalité très spécifique que Barnes dit "est très utile. Cela ajoute du contrôle, donc nous ne sommes pas à la merci d'un mouvement aléatoire, ce qui est inefficace. Notre article décrit un aspect de la physique nanoscopique au sein de cristaux individuels, une structure qui facilitera l'utilisation de cette molécule pour de nouvelles applications telles que dans les dispositifs qui utilisent une entrée de lumière polarisée pour la commutation optique. Nous et d'autres exploiterons immédiatement cette directionnalité."

Il ajoute, « Observer la séparation des charges intrinsèques ne se produit pas dans les polymères, pour autant que nous le sachions, cela ne se produit que dans cette famille d'assemblages cristallins de petites molécules organiques ou de nanofils. En termes d'application, nous explorons maintenant des moyens d'organiser les cristaux dans un motif uniforme et à partir de là, nous pouvons activer ou désactiver les choses en fonction de la polarisation optique, par exemple."

Cependant, l'équipe d'UMass Amherst pense que la propriété n'est pas une singularité propre à ce matériau, mais que plusieurs matériaux le partagent potentiellement, rendre les découvertes en TAT intéressantes pour une grande variété de chercheurs, dit Barnes. Des types d'observations similaires ont été notés dans les cristaux de pentacène, note-t-il, qui montrent quelque chose de similaire mais sans directivité. Dans ce travail soutenu par le U.S. Department of Energy et le Center for Hierarchical Manufacturing d'UMass Amherst, ils proposent que l'effet provienne d'une interaction de transfert de charge dans les nanofils conducteurs de charge de la molécule qui peuvent être programmés.

Dans la vision conventionnelle de la récupération de l'énergie solaire avec des matières organiques ou à base de carbone, explique le chimiste, les scientifiques ont compris que les couches actives organiques à l'œuvre dans les appareils absorbent la lumière, ce qui conduit à un état excité appelé exciton. Dans ce mécanisme, l'exciton migre vers une frontière d'interface où il se sépare en une charge positive et négative, libérant la tension à utiliser comme puissance. « Dans cette vue, vous espérez que la lumière soit bien absorbée pour que le transfert soit efficace, " il dit.

Dans des travaux antérieurs, Barnes, Briseño et d'autres à UMass Amherst ont travaillé pour contrôler la taille du domaine des matériaux pour correspondre à ce que l'on croyait être la distance qu'un exciton peut parcourir dans le temps qu'il faut pour rayonner, il ajoute. "Tout cela repose sur l'idée que le mécanisme de séparation des charges est extrinsèque, qu'une force motrice externe sépare les charges, " note-t-il. L'objectif avait été de supprimer le besoin de cette interface. "

Plus récemment, Briseño et ses collègues ont atteint un point dans la synthèse de cristaux où leurs dispositifs à base de polymère ne fonctionnaient pas comme ils le souhaitaient, il raconte. Briseño a demandé à Barnes et à ses collègues d'utiliser leurs instruments de mesure spéciaux pour enquêter. Barnes et ses collègues ont découvert un défaut structurel que Briseño pourrait corriger. "Nous lui avons fourni des diagnostics pour améliorer leur croissance cristalline, " dit Barnes.

« De là, nous avons remarqué des indices qu'il se passait des choses très intéressantes, qui nous a conduit à la découverte, " Barnes ajoute. "C'est amusant quand la science fonctionne de cette façon. C'était une très belle relation mutuellement bénéfique."

"Ce que la nature nous a apporté était quelque chose de vraiment beaucoup plus riche et intéressant que tout ce que nous aurions pu prévoir. Nous pensions que cela allait être qualitativement similaire aux observations précédentes, peut-être différent dans les détails quantitatifs, mais la vraie histoire est bien plus intéressante. Dans ce matériau, ils ont trouvé que la façon dont il emballe les cristaux donne lieu à sa propre séparation, une propriété intrinsèque du matériau cristallin."