Illustration. Crédit :Elena Khavina/MIPT
Une équipe de chercheurs de Russie, Allemagne, et française, mettant en vedette des scientifiques des matériaux de l'Institut de physique et de technologie de Moscou, a étudié comment les propriétés électriques des films minces de dihexyl-quartthiophène dépendent de leur structure. Ce matériau est un semi-conducteur organique avec des perspectives pour l'électronique flexible.
Une fois que les couches minces subissent une transition de l'état cristallin à l'état de cristal liquide, ils perdent une partie de leur conductivité électrique. L'équipe a également découvert une "troisième phase" qui ne se produit pas dans le matériau en vrac et correspond à une couche monomoléculaire du semi-conducteur. Cette structure pourrait être favorable au transport de charges à travers les films, avec des implications potentielles pour la conception de la microélectronique. Les résultats de la recherche ont été publiés dans Lettres de recherche à l'échelle nanométrique .
Les oligothiophènes sont des semi-conducteurs organiques prometteurs. Leurs molécules en forme de bâtonnets peuvent s'orienter à la surface sur laquelle elles ont été déposées, empiler des cycles d'hydrocarbures contenant un atome de soufre appelés thiophènes, comme des piles de pièces. Les "bords de pièces" dans les piles voisines forment un motif à chevrons. Cet arrangement moléculaire permet le transfert de charge d'une molécule à l'autre.
Au fur et à mesure que le nombre de thiophènes dans la molécule augmente, la conductivité électrique aussi, au détriment de la solubilité du composé. Le nombre optimal de ces fragments thiophènes est de quatre. Pour augmenter la solubilité, des fragments hexyles sont greffés aux extrémités du fragment moléculaire conjugué (fig. 1).
Les chercheurs ont dissous et évaporé le dihexyl-quartthiophène (DH4T) dans un réacteur sous vide et déposé le matériau sous forme de couches minces sur un substrat de silicium. Ils ont ensuite étudié la structure cristalline des échantillons en utilisant la diffraction des rayons X à incidence rasante. Cette technique consiste à exposer un film aux rayons X à un très petit angle de vue pour maximiser la distance parcourue par le faisceau de rayons X dans le film, fait l'objet de nombreuses réflexions. Autrement, le signal du film mince serait trop faible pour être distinguable du signal du substrat. Les mesures de diffraction ont permis à l'équipe d'identifier l'arrangement moléculaire dans le matériau déposé sur le substrat.
Figure 1. Formules développées des molécules de thiophène et de dihexyl-quartthiophène. Crédit :Elena Khavina/MIPT
Initialement, Le DH4T était hautement cristallin. Ses molécules formaient un motif à chevrons et étaient positionnées presque perpendiculairement au substrat. Cependant, une fois chauffé à 85 degrés Celsius, le matériau a subi une transition de phase :l'arrangement moléculaire a changé, former une phase cristalline liquide, et la conductivité électrique des films a chuté.
L'échantillon a été encore chauffé à 130 °C et ensuite refroidi à température ambiante. Cela a restauré en partie la cristallinité du matériau, et donc la conductivité.
Au cours du chauffage, une troisième structure a émergé dans le profil de diffraction des rayons X, indiqué par de faibles maxima de diffraction ne correspondant pas à la phase cristal liquide. Des recherches antérieures ont corrélé ces maxima avec des monocouches de composés comme le DH4T. De façon intéressante, cette "troisième phase" a également été observée à 70 C.
La structure de la monocouche découverte par l'équipe est favorable au transport de charges le long du plan du film, ce qui le rend important pour les applications électroniques flexibles. Par ailleurs, la phase nouvellement observée pourrait également se produire dans les films minces d'autres composés dont la structure est similaire à celle du DH4T. De tels matériaux sont utilisés en microélectronique. Étant donné que la charge est principalement transférée dans une couche très mince près du substrat, les résultats des chercheurs soulignent la nécessité de considérer comment la nanostructure du matériau affecte sa conductivité.
Le professeur Dimitri Ivanov dirige le Laboratoire des matériaux organiques et hybrides fonctionnels du MIPT et est également directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique (CNRS). Il est co-auteur de l'étude rapportée dans cet article et commente ses conclusions :« En utilisant des méthodes in situ, comme l'analyse structurelle, et en même temps, mesurer les propriétés électriques de l'échantillon nous permet de mieux comprendre la nature des transitions de phase complexes dans le matériau et d'évaluer son potentiel pour des applications pratiques en électronique organique.
