Des polymères sous pression pour des transistors performants

19 avril 2017

Résultats scientifiques Polymères

Les transistors organiques sont les dispositifs pressentis pour remplacer les transistors actuels à base de silicium utilisés dans tous les dispositifs électroniques. Mais le contrôle à l’échelle nanométrique de la structure cristalline et de la morphologie de couches polymériques organiques et la possibilité de les transférer sur n’importe quel substrat solide sont deux aspects difficiles à maitriser pour réaliser des transistors dits « à effet de champ »(*) organiques de haute performance. Différentes techniques en phase liquide permettent d’obtenir des morphologies optimales pour les polymères, mais elles demeurent complexes et ne sont compatibles qu’avec une gamme restreinte de substrats ce qui limite leur utilisation.

Pour améliorer le contrôle des performances de ces dispositifs, une équipe de l’Institut de science et d’ingénierie supramoléculaires a développé une nouvelle stratégie facile à mettre en œuvre, efficace et polyvalente, permettant de pré-assembler des films polymères à l’interface eau/air et de les transférer aisément sur des substrats variés.

La technique dite de Langmuir–Schaefer a été employée pour former des monocouches moléculaires. Dans sa version standard, une solution diluée du polymère est étalée sur une surface d’eau, formant une phase dispersée peu dense. Des barrières mobiles à la surface compriment le matériau pour former une monocouche présentant une densité plus élevée qui est alors transférée sur le substrat cible. Ici, les chercheurs ont adopté une approche différente en partant d’une plus grande quantité de matériau, formant sur la surface de l’eau une phase déjà condensée avant l’étape de compression. Le mouvement des barrières permet d’augmenter l’épaisseur (jusqu'à 2 ou 3 couches) et la densité du film polymère constitué de nanofibrilles très serrées, et donc ses performances électriques.

En conclusion, les chercheurs ont démontré que la technique de dépôt employée est polyvalente et permet d’auto-assembler des polymères π-conjugués en films minces très ordonnés constitués de nanofibrilles serrées. Lorsqu’ils sont intégrés dans la couche active de transistors à effet de champ organiques, ces couches polymériques semi-conductrices présentent une mobilité record pour des dispositifs de ce type sans nécessiter de traitement thermique à haute température et préparés à l'air. De plus, ils ont prouvé que les performances électriques sont indépendantes de la nature chimique et des propriétés diélectriques du substrat. Il est important de noter que cette approche permet potentiellement de former des films de grande surface (jusqu’à 9 cm2) en utilisant une petite quantité de polymère (~75 μg) pour réaliser des dispositifs de haute performance, transparents, flexibles et bon marché, et ce quelque soit le substrat choisi. Ces résultats ouvrent la voie à la fabrication contrôlée de films multicouches hybrides préservant les propriétés morphologiques et électriques de chaque couche constitutive.

(*) Un transistor à effet de champ utilise un champ électrique pour contrôler la conductivité d'un « canal » dans un matériau semi-conducteur.

Représentation schématique de la technique de transfert de Langmuir–Schaefer (a) standard et (b) modifiée. (c) Structure chimique du polymère employé.