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Polymères alignés verticalement pour obtenir des composés électroniques hautement conducteurs - Par : Luis Felipe Gerlein Reyes,

Polymères alignés verticalement pour obtenir des composés électroniques hautement conducteurs


Luis Felipe Gerlein Reyes
Luis Felipe Gerlein Reyes Profil de l'auteur(e)
Luis Felipe Gerlein est étudiant au doctorat à l’ÉTS. Ses recherches portent sur la nanofabrication et la caractérisation de dispositifs optoélectroniques à base de chalcogénures de plomb, de nanostructures à base de carbone et de matériaux pérovskite.
Programme : Génie électrique 

polymère aligné verticalement

À la fin des années 70, l’œuvre de trois scientifiques –  Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid et Hideki Shirakawa – a amorcé un nouveau domaine de recherche; cette œuvre leur a valu le prix Nobel de la Chimie, en 2000, pour la découverte et le développement de polymères conducteurs (“for the discovery and development of conductive polymers”).

Dans le monde des semi-conducteurs, tout n’est pas fait de silicium (Si), de germanium (Ge) ou d’arséniure de gallium (GaAs).  Il existe d’autres matériaux de grande importance, mais dans des domaines d’application et des marchés plus ciblés. C’est le cas des polymères organiques conducteurs (à base de carbone) qu’on retrouve maintenant dans plusieurs produits comme les afficheurs (technologie DELO, VIDEO), les cellules solaires organiques flexibles et transparentes (VIDEO) et des systèmes vivants (voir le document technique) tels que les implants biocompatibles.

Bien que les polymères organiques conducteurs ne soient pas aussi rapides ou efficaces pour conduire l’électricité que leurs équivalents inorganiques, ils sont plus légers, plus flexibles et moins coûteux à produire. Toutefois, l’une de ses propriétés, la conductivité électronique, pourrait bien avoir été grandement améliorée si l’on se fie à la recherche présentée récemment par un groupe de scientifiques de l’Umeå Universitet, en Suède.

L’équipe a découvert qu’un alignement efficace vertical des chaînes de polymères et de cristallites améliorait jusqu’à mille fois la conductivité transversale d’une couche du matériau. Cette découverte est d’une grande importance dans le monde des appareils électroniques parce qu’ils sont pour la plupart fabriqués de façon épitaxiale c’est-à-dire couche sur couche, y compris les contacts. Aussi, il est évident qu’une bonne circulation du courant électrique allant vers l’appareil ou en sortant est essentielle à son fonctionnement optimal.

Polymères conducteurs

La conductivité électrique est plus grande quand les électrons se déplacent parallèlement à la chaîne de polymères

La plupart des techniques de fabrication utilisées en électronique organique produisent des chaînes de polymères (arrangement microscopique d’atomes différents, liés entre eux comme dans une chaîne) alignées horizontalement , c’est-à-dire qu’elles sont parallèles au substrat de l’appareil et transversales par rapport au courant électrique.  C’est ce qui a amené l’idée répandue selon laquelle les polymères semi-conducteurs ne seraient pas de très bons conducteurs d’électricité. Par contre, si l’électricité se déplace le long des chaînes de polymères (parallèlement à celles-ci), la conductivité du polymère s’en trouve grandement améliorée.

L’équipe, dirigée par le professeur David R. Barbero, a perfectionné la technique d’alignement vertical des chaînes de polymères, formant ce qu’on appelle une crystallite, une petite quantité d’un matériau organisé en structure cristalline. De cette façon, le courant électrique se déplace parallèlement à la chaîne de polymères et à la verticale. Finalement, détail important, cette technique ne nécessite pas l’ajout de dopants pour obtenir la conductivité désirée, ce qui préserve la pureté et les propriétés initiales du matériau.

Le polymère conducteur utilisé pour cette étude est le bien connu poly(3-hexylthiophène), c’est-à-dire P3HT.  Ce polymère est largement utilisé en électronique organique en raison de sa stabilité environnementale, de son aptitude aux traitements chimiques et de sa compatibilité avec les méthodes d’assemblage couramment utilisés; de plus, il absorbe la lumière du spectre solaire visible de façon relativement efficace.  Avec une orientation « horizontale » normale, la conductivité obtenue est de l’ordre de ~10– 4 – 10– 3 cm2/V.s, alors que la nouvelle technique développée par le professeur Barbero et son équipe a permis d’obtenir une conductivité de 3,1 cm2/V.s pour le P3HT, soit 1000 fois plus, la meilleure mesure rapportée jusqu’à maintenant.

Peu importe la qualité d’un l’appareil électronique, il ne fonctionnera pas bien si son interface avec le monde extérieur ne permet pas la circulation efficace de l’électricité. Ce progrès représente donc une percée dans le domaine des polymères conducteurs, permettant l’utilisation de certains matériaux dans plus d’applications, sans nuire à leur performance.

 

Luis Felipe Gerlein Reyes

Profil de l'auteur(e)

Luis Felipe Gerlein est étudiant au doctorat à l’ÉTS. Ses recherches portent sur la nanofabrication et la caractérisation de dispositifs optoélectroniques à base de chalcogénures de plomb, de nanostructures à base de carbone et de matériaux pérovskite.

Programme : Génie électrique 

Chaire de recherche : Chaire de recherche du Canada sur les matériaux et composants optoélectroniques hybrides 

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