Des chercheurs ont relevé un défi vieux de plusieurs décennies dans le domaine des semi-conducteurs organiques, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour l’avenir de l’électronique.
Les chercheurs, dirigés par l’université de Cambridge et l’université technologique d’Eindhoven, ont créé un semi-conducteur organique qui force les électrons à se déplacer en spirale, ce qui pourrait améliorer l’efficacité des écrans OLED des téléviseurs et des smartphones, ou alimenter les technologies informatiques de la prochaine génération, telles que la spintronique et l’informatique quantique.
Le semi-conducteur qu’ils ont mis au point émet une lumière polarisée circulairement, ce qui signifie que la lumière porte des informations sur l’orientation des électrons. La structure interne de la plupart des semi-conducteurs inorganiques, comme le silicium, est symétrique, ce qui signifie que les électrons s’y déplacent sans direction privilégiée.
Toutefois, dans la nature, les molécules ont souvent une structure chirale (gauchère ou droitière) : comme les mains humaines, les molécules chirales sont des images miroir l’une de l’autre. La chiralité joue un rôle important dans les processus biologiques tels que la formation de l’ADN, mais c’est un phénomène difficile à exploiter et à contrôler en électronique.
Mais en utilisant des astuces de conception moléculaire inspirées de la nature, les chercheurs ont réussi à créer un semi-conducteur chiral en poussant des piles de molécules semi-conductrices à former des colonnes spirales ordonnées à droite ou à gauche. Leurs résultats sont publiés dans la revue Science.
L’une des applications prometteuses des semi-conducteurs chiraux est la technologie d’affichage. Les écrans actuels gaspillent souvent une quantité importante d’énergie en raison de la façon dont ils filtrent la lumière. Le semi-conducteur chiral mis au point par les chercheurs émet naturellement de la lumière d’une manière qui pourrait réduire ces pertes, ce qui rendrait les écrans plus lumineux et plus efficaces sur le plan énergétique.
« Lorsque j’ai commencé à travailler sur les semi-conducteurs organiques, de nombreuses personnes doutaient de leur potentiel, mais aujourd’hui, ils dominent la technologie des écrans », a déclaré le professeur Sir Richard Friend du Cavendish Laboratory de Cambridge, qui a codirigé la recherche. « Contrairement aux semi-conducteurs inorganiques rigides, les matériaux moléculaires offrent une incroyable flexibilité, ce qui nous permet de concevoir des structures entièrement nouvelles, comme des DEL chirales. C’est comme travailler avec un jeu de Lego avec toutes les formes possibles et imaginables, plutôt qu’avec des briques rectangulaires ».
Le semi-conducteur est basé sur un matériau appelé triazatruxène (TAT) qui s’auto-assemble en un empilement hélicoïdal, permettant aux électrons de se déplacer en spirale le long de sa structure, comme le filet d’une vis.
« Lorsqu’il est excité par une lumière bleue ou ultraviolette, le TAT auto-assemblé émet une lumière verte brillante avec une forte polarisation circulaire, un effet qu’il était jusqu’à présent difficile d’obtenir dans les semi-conducteurs », a ajouté le coauteur Marco Preuss, de l’Université de technologie d’Eindhoven. « La structure du TAT permet aux électrons de se déplacer efficacement tout en affectant la façon dont la lumière est émise. »
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En modifiant les techniques de fabrication des OLED, les chercheurs ont réussi à incorporer le TAT dans des OLED à polarisation circulaire (CP-OLED). Ces dispositifs ont fait preuve d’une efficacité, d’une luminosité et de niveaux de polarisation records, ce qui en fait les meilleurs de leur catégorie.
« Nous avons essentiellement retravaillé la recette standard de fabrication des OLED comme celles de nos smartphones, ce qui nous a permis de piéger une structure chirale dans une matrice stable et non cristallisante », a précisé le coauteur Rituparno Chowdhury, du Cavendish Laboratory de Cambridge. « Nous disposons ainsi d’un moyen pratique de créer des LED à polarisation circulaire, ce qui a longtemps échappé au domaine ».
Ces travaux s’inscrivent dans le cadre d’une collaboration de plusieurs décennies entre le groupe de recherche de M. Friend et le groupe du professeur Bert Meijer de l’université technologique d’Eindhoven. « Il s’agit d’une véritable percée dans la fabrication d’un semi-conducteur chiral », a conclu Bert Meijer. « En concevant soigneusement la structure moléculaire, nous avons couplé la chiralité de la structure au mouvement des électrons, ce qui n’avait jamais été fait à ce niveau auparavant. »
Les semi-conducteurs chiraux représentent une avancée dans le monde des semi-conducteurs organiques, qui représentent aujourd’hui une industrie de plus de 60 milliards de dollars. Au-delà des écrans, ce développement a également des implications pour l’informatique quantique et la spintronique, un domaine de recherche qui utilise le spin, ou moment angulaire inhérent, des électrons pour stocker et traiter des informations, ce qui pourrait conduire à des systèmes informatiques plus rapides et plus sûrs.
Légende illustration : Image au microscope confocal d’un semi-conducteur chiral Crédit : Samarpita Sen, Rituparno Chowdhury
Rituparno Chowdhury, Marco D. Preuss et al. ‘Circularly polarized electroluminescence from chiral supramolecular semiconductor thin films.’ Science (2025). DOI: 10.1126/science.adt3011
Source : Université de Cambridge
