Une cartographie des effets quantiques pour optimiser la mobilité dans les semi-conducteurs organiques
Publié par Redbran le 28/12/2017 à 12:00
Source et illustration: CNRS-INP
Le contrôle des effets de localisation quantique des électrons pourrait permettre d'améliorer les performances des semi-conducteurs organiques pour l'électronique, ouvrant la voie à des applications inédites.


Carte de mobilité dans les semi-conducteurs organiques. Ja, Jb, Jc sont associés au recouvrement des fonctions d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de...) dans les trois directions principales. Les zones en blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où l'image que l'on en donne parfois :...) indiquent les configurations optimales à rechercher pour la synthèse de semiconducteurs organiques à mobilité élevée.

L'électronique est dominée par l'industrie du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.): ce matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) est la brique élémentaire à partir de laquelle sont construits les transistors et les microprocesseurs. Dans la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) de technologies alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié en 1945.), les semi-conducteurs organiques moléculaires sont très prometteurs. Ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) plastiques à base de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) sont légers, flexibles. Ils peuvent être produits à faible coût énergétique et se déclinent dans une infinité de variantes microscopiques. Ces atouts les rendent très attrayants pour de nombreuses applications où le silicium est hors-jeu, comme par exemple la peau (La peau est un organe composé de plusieurs couches de tissus. Elle joue, entre autres, le rôle d'enveloppe protectrice du corps.) artificielle ou les vêtements photovoltaïques. Cependant, dès qu'on s'intéresse aux performances, l'inconvénient majeur est la mobilité très limitée des électrons dans ces composés. Les raisons fondamentales de cette lenteur ont été clarifiées seulement récemment.

Les mauvaises performances électriques de ces matériaux viennent précisément de leur flexibilité. Du fait des faibles forces de cohésion microscopiques régnant dans le matériau, les molécules elles-mêmes ne sont pas rigidement fixées les unes par rapport aux autres. Plus leurs mouvements sont amples, plus ils ralentissent la course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) des électrons, par des "chocs" qui en dévient la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.). Ces chocs sont si fréquents dans la matière organique (La matière organique (MO) est la matière carbonée produite en général par des êtres vivants , végétaux, animaux, ou micro-organismes. Il s'agit par exemple des glucides, protides et lipides....) qu'ils peuvent alors "fixer" l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants...) momentanément: ce phénomène purement quantique, dénommé "localisation transitoire", est le responsable ultime de la faible mobilité des électrons.

Une percée fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) pour contourner ce problème vient d'une étude théorique dirigée par S. Fratini à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Néel en collaboration avec A. Troisi à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où les...) de Liverpool et S. Ciuchi à l'Université de l'Aquila, et publiée dans la revue Nature Materials. Certaines structures moléculaires seraient moins sensibles au désordre, et permettraient donc d'augmenter la mobilité des électrons en limitant l'effet de localisation transitoire. L'élément-clé pour comprendre le transfert des électrons dans les solides moléculaires est "l'intégrale (Une intégrale est le résultat de l'opération mathématique, effectuée sur une fonction, appelé intégration. Une intégrale est donc composée d'un intégrande (la fonction à intégrer) et d'un opérateur que l'on...) de saut", le paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) microscopique qui mesure le recouvrement des fonctions d'onde entre molécules voisines. Chaque structure moléculaire est caractérisée par des valeurs précises de ces intégrales dans les différentes directions. Or, il a été montré qu'il existe des combinaisons optimales de ces paramètres qui permettraient de minimiser les effets de localisation, permettant d'atteindre des valeurs de mobilité jusqu'à 10 fois supérieures à celles des principaux matériaux existants.

En plaçant les valeurs des intégrales de saut sur une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points situés à une même distance d'un point appelé...), les chercheurs disposent aujourd'hui d'une carte permettant de visualiser les combinaisons pour lesquelles la mobilité sera optimale. Ce protocole permet de rationaliser la recherche de nouveaux composés: en indiquant clairement où chercher les bons arrangements moléculaires, là où il fallait auparavant tester différentes cristallisations possibles de forme aléatoire, cette étude ouvre la voie à une nouvelle classe de matériaux performants pour l'électronique organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.).

Référence publication:
A map of high mobility molecular semiconductors
S. Fratini, S. Ciuchi, D. Mayou, G. Trambly de Laissardière et A. Troisi
Nature Materials (2017), doi:10.1038/nmat4970

Contact chercheur:
Simone Fratini, directeur de recherche CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)

Informations complémentaires:
Institut Néel, laboratoire CNRS associé à l'Université Grenoble Alpes et à Grenoble INP
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