L'exfoliation du graphite en couches de graphène a inspiré l'étude de milliers de matériaux en couches :parmi eux, les dichalcogénures de métaux de transition (TMD). Ces semi-conducteurs peuvent être utilisés pour fabriquer des encres conductrices pour fabriquer des dispositifs électroniques et optoélectroniques imprimés. Cependant, des défauts dans leur structure peuvent nuire à leurs performances. Maintenant, Les chercheurs de Graphene Flagship ont surmonté ces obstacles en introduisant des « ponts moléculaires, ' petites molécules qui interconnectent les flocons de TMD, augmentant ainsi la conductivité et les performances globales.

Les résultats, Publié dans Nanotechnologie naturelle, sont issus d'une collaboration pluridisciplinaire entre Graphene Flagship partners l'Université de Strasbourg et le CNRS, La France, AMBER et Trinity College Dublin, Irlande, et Cambridge Graphene Centre, Université de Cambridge, ROYAUME-UNI. Les ponts moléculaires employés décuplent la mobilité des porteurs, paramètre physique lié à la conductivité électrique.

Les encres TMD sont utilisées dans de nombreux domaines, de l'électronique et des capteurs à la catalyse et à la biomédecine. Ils sont généralement fabriqués par exfoliation en phase liquide, une technique développée par le Graphene Flagship qui permet la production de masse de graphène et de matériaux stratifiés. Mais, bien que cette technologie donne des volumes élevés de produit, il a quelques limites. Le processus d'exfoliation peut créer des défauts qui affectent les performances du matériau stratifié, en particulier lorsqu'il s'agit de conduire l'électricité.

Inspirée par l'électronique organique, le domaine derrière les technologies à succès telles que les diodes électroluminescentes organiques (OLED) et les cellules solaires à faible coût, l'équipe Graphene Flagship a trouvé une solution :les ponts moléculaires. Avec ces structures chimiques, les chercheurs ont réussi à faire d'une pierre deux coups. D'abord, ils ont relié les flocons de TMD les uns aux autres, créer un réseau qui facilite le transport de charge et la conductivité. Les ponts moléculaires se dédoublent en parois, guérir les défauts chimiques sur les bords des flocons et éliminer les lacunes électriques qui favoriseraient autrement la perte d'énergie.

Par ailleurs, Les ponts moléculaires offrent aux chercheurs un nouvel outil pour adapter la conductivité des encres TMD à la demande. Si le pont est une molécule conjuguée - une structure avec des doubles liaisons ou des cycles aromatiques - la mobilité du porteur est plus élevée que lors de l'utilisation de molécules saturées, comme les hydrocarbures. « La structure du pont moléculaire joue un rôle clé, " explique Paolo Samorì, de Graphene Flagship partenaire de l'Université de Strasbourg, La France, qui a dirigé l'étude. "Nous utilisons des molécules appelées di-thiols, que vous pouvez facilement acheter dans le catalogue de n'importe quel fournisseur de produits chimiques, " ajoute-t-il. Leur diversité structurelle disponible ouvre un monde de possibilités pour réguler la conductivité, en l'adaptant à chaque application spécifique. "Les ponts moléculaires nous aideront à intégrer de nombreuses nouvelles fonctions dans les dispositifs basés sur TMD, " poursuit Samorì. " Ces encres peuvent être imprimées sur n'importe quelle surface, comme le plastique, tissu ou papier, permettant une grande variété de nouveaux circuits et capteurs pour l'électronique flexible et les appareils portables."

Maria Smolander, Graphene Flagship Work Package Leader pour l'électronique flexible, ajoute :"Ce travail est d'une grande importance en tant qu'étape cruciale vers la pleine exploitation des méthodes de fabrication basées sur des solutions telles que l'impression dans l'électronique flexible. L'utilisation des ponts liés de manière covalente améliore à la fois les propriétés structurelles et électriques des couches minces à base de TMD flocons."

Andrea C. Ferrari, Responsable scientifique et technologique du Graphene Flagship et président de son comité de direction, ajoute :« Le Graphene Flagship a été le pionnier à la fois de l'exfoliation en phase liquide et de l'impression à jet d'encre du graphène et des matériaux en couches. Ces techniques peuvent produire et traiter de grands volumes de matériaux. Ce papier est une étape clé pour rendre les matériaux en couches semi-conducteurs disponibles pour l'impression, électronique flexible et portable, et encore une fois fait avancer l'état de l'art."