Les matériaux semi-conducteurs jouent un rôle central dans l’électronique moderne. Ils pourraient connaître une nouvelle transformation grâce à des recherches récentes qui redéfinissent leur fabrication, et mettent l’accent sur des alternatives plus respectueuses de l’environnement.
Les semi-conducteurs organiques : une alternative durable
La Silicon Valley en Californie et les Silicon Slopes dans l’Utah tirent leur nom de l’élément le plus associé aux semi-conducteurs, la pierre angulaire de la révolution informatique. Tout dispositif électronique ou informatisé dépend des semi-conducteurs, une substance aux propriétés permettant de conduire le courant électrique dans certaines conditions.
Les semi-conducteurs traditionnels sont fabriqués à partir de matériaux inorganiques, comme le silicium, dont la production nécessite d’importantes quantités d’eau et d’énergie.
Depuis des années, les scientifiques s’efforcent de créer des alternatives respectueuses de l’environnement en utilisant des matériaux organiques, tels que les polymères. Ces derniers sont formés en liant de petites molécules pour créer de longues chaînes. Le processus de polymérisation évite de nombreuses étapes gourmandes en énergie requises dans la fabrication traditionnelle des semi-conducteurs et utilise beaucoup moins d’eau, de gaz et de produits chimiques.
Ils sont également bon marché à produire et pourraient permettre le développement d’électronique flexible, de capteurs portables et de dispositifs biocompatibles pouvant être introduits dans le corps. Cependant, leur conductivité, bien que bonne, n’est pas aussi élevée que celle de leurs homologues inorganiques.
La physique derrière l’interaction dopant-polymère
Les matériaux électroniques nécessitent tous un dopage, une méthode consistant à infuser des molécules dans les semi-conducteurs pour augmenter la conductivité. Les scientifiques utilisent des molécules, appelées dopants, pour définir les parties conductrices des circuits électriques. Le dopage dans les matériaux organiques a longtemps posé problème aux scientifiques en raison d’un manque de cohérence : parfois les dopants améliorent la conductivité, d’autres fois ils l’aggravent.
Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’Université de l’Utah et de l’Université du Massachusetts à Amherst ont découvert la physique qui régit les interactions entre les dopants et les polymères, expliquant le problème de conductivité incohérente.
Les porteurs de charge positifs sont retenus par les dopants chargés négativement des chaînes de polymères, empêchant le flux de courant électrique et réduisant la conductivité du matériau. L’équipe a découvert que, lorsque suffisamment de dopants étaient injectés dans le système, le comportement des électrons changeait pour agir comme un écran collectif contre les forces attractives, permettant au reste des électrons de circuler sans entrave.
« L’idéal serait de verser un tas d’électrons libres dans le matériau pour qu’ils assurent la conduction. Bien sûr, nous ne pouvons pas — nous devons utiliser des molécules pour fournir les électrons », a déclaré Zlatan Akšamija, professeur associé en science des matériaux et génie à l’Université de l’Utah et auteur principal de l’étude. « Notre prochaine étape est de trouver les combinaisons de dopants et de matériaux organiques qui peuvent affaiblir cette interaction et rendre la conductivité encore plus élevée. Mais nous ne comprenions pas assez bien cette interaction pour pouvoir la résoudre jusqu’à présent. »
Le dopage stimule la conductivité
L’électricité est un flux d’électrons. Le silicium seul est un mauvais conducteur — quatre électrons dans l’orbite externe forment des liaisons covalentes parfaites avec les atomes de silicium voisins, ne laissant aucun électron libre. C’est là que le dopage intervient. L’ajout d’une impureté au silicium peut faire deux choses : contribuer des électrons supplémentaires dans le système ; ou réduire les électrons dans le système, créant des porteurs chargés positivement appelés trous.
Par exemple, l’arsenic est un dopant courant car il possède cinq électrons dans son orbite externe — quatre se lieront au silicium et le cinquième restera libre. Finalement, les dopants contribueront suffisamment d’électrons libres pour permettre à un courant électrique de circuler à travers le silicium.
Contrairement au silicium, les matériaux organiques ont une structure désordonnée dans leurs chaînes de polymères, entraînant des interactions complexes entre les électrons supplémentaires du dopant et le matériau polymérisé, a expliqué Zlatan Akšamija.
« Imaginez que les polymères sont un bol de spaghettis. Ils ne s’empilent pas parfaitement. À cause de cela, les électrons sont forcés de sauter d’une partie du polymère à une autre et sur la chaîne suivante, poussés par la tension », a-t-il dit.
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Chaque dopant contribue un électron dans le système à la fois, ce qui signifie qu’au début, les électrons qui sautent à travers le polymère sont dilués. Si un électron saute le long de la chaîne et passe près d’un dopant, les charges opposées s’attireront mutuellement et provoqueront la déviation de l’électron, perturbant le courant électrique. La révélation de cette étude a été de trouver que ce comportement changeait avec une masse critique d’électrons dans le système — lorsqu’un seuil est franchi, la foule d’électrons répond collectivement. Lorsqu’un groupe d’électrons passe un dopant, certains sont attirés vers la charge et créent un écran qui bloque le reste des électrons de ressentir l’interaction.
« Et c’est là que le criblage fait vraiment son travail en bloquant les dopants. Les porteurs éliminent les dopants, ce qui permet aux autres porteurs de se déplacer plus facilement et plus efficacement. Cet article décrit le mécanisme physique par lequel cela se produit », a déclaré Zlatan Akšamija.
Expérimentation et théorie
Les chimistes de l’UMass Amherst ont mené les expériences physiques. Ils ont utilisé deux types de polymères ayant des structures plus ou moins désordonnées. Ils ont ensuite utilisé un solvant et l’ont appliqué sur une fine couche de verre. Ils ont ensuite dopé le polymère avec des vapeurs d’iode. Un avantage de l’iode est qu’il est instable — avec le temps, le polymère perd progressivement des molécules de dopant par évaporation.
« Cela a été utile pour les expériences car nous pouvons continuer à mesurer la conductivité du polymère sur une période de 24 ou 48 heures. Ce protocole nous donne une courbe de conductivité en fonction du nombre de dopants restant dans le matériau », a indiqué Dhandapani Venkataraman, professeur de chimie à l’UMass Amherst et co-auteur de l’étude. « C’est une astuce intéressante pour accéder à presque quatre ordres de grandeur de charge en conductivité de faible, moyenne à haute concentrations de dopants… jusqu’à revenir essentiellement à son état isolant original. »
Les chimistes ont mené des expériences sur deux versions différentes du même polymère — l’une qui était plus régulière, et l’autre qui était plus désordonnée. Ils ont alors pu comparer la conductivité dans les deux polymères à mesure que la concentration de dopant changeait.
« Au début, nous étions perplexes par certains des résultats expérimentaux, en particulier lorsque nous avions un grand nombre de dopants. Nous nous attendions à ce que le polymère désordonné soit très inférieur au polymère ordonné à toutes les concentrations de dopants. Mais ce n’était pas le cas », a précisé Dhandapani Venkataraman.
Le groupe de recherche d’Akšamija s’est concentré sur les interactions des matériaux. Ils ont pu contraster les différentes instances du même polymère avec des quantités plus ou moins importantes de désordre pour discerner où se produisait le criblage. Ce comportement de criblage n’avait jamais été considéré comme faisant partie des systèmes de semi-conducteurs organiques, ils ont donc sorti papier et crayons pour comprendre comment les molécules et les charges interagissent en utilisant les premiers principes de la physique : Quelle est l’équation sous-jacente qui régit l’interaction des charges ?
Le laboratoire d’Akšamija a commencé là et l’a reconstruit. Ils ont ensuite traduit les formules en code qui simulait le saut des électrons en présence de dopants tout en incluant le comportement de criblage.
Légende illustration : Muhamed Duhandžić tient deux morceaux du semi-conducteur organique – le polymère bleu a été dopé à l’iode. Crédit : HARRIET RICHARDSON/UNIVERSITÉ DE L’UTAH
L’étude a été publiée le 13 décembre 2023 dans la revue Physical Review Letters.
Article : « Carrier Screening Controls Transport in Conjugated Polymers at High Doping Concentrations » – DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.248101
