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Une modification moléculaire accroît les performances des semi-conducteurs organiques

Une simple modification moléculaire peut améliorer la performances des semi-conducteurs

Des chimistes du RIKEN ont découvert qu’une simple modification moléculaire peut améliorer considérablement les performances de la molécule dans un transistor. L’ajout d’un simple groupe chimique contenant du soufre à une molécule semi-conductrice peut effectivement améliorer les performances de celle-ci. Cette découverte suggère que les propriétés des semi-conducteurs à base de carbone pourraient être modifiées en incorporant ces groupes.

Le silicium constitue actuellement la base des dispositifs électroniques. Cependant, les molécules semi-conductrices organiques offrent un moyen de fabriquer des dispositifs moins chers et flexibles. Elles permettent de produire des dispositifs tels que des écrans d’affichage, des capteurs portables et des étiquettes d’identification par radiofréquence jetables. Mais la plupart des semi-conducteurs organiques ne peuvent pas encore égaler les performances de leurs rivaux en silicium.

Deux semi-conducteurs organiques de référence sont le pentacène et son dérivé TIPS-pentacène. Ils contiennent des électrons qui s’étalent sur les molécules, formant ce que l’on appelle le système p-conjugué. Un système qui facilite le transport de la charge électrique.

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Dans les cristaux de pentacène, les molécules sont disposées en forme de chevrons, une structure commune aux semi-conducteurs organiques. Lorsque ces motifs en chevrons forment une structure de type sandwich, le transport de charges est très faible. En revanche, les molécules de TIPS-pentacène présentent un motif plus inhabituel, empilées comme des briques dans un mur. Cela façonne la p-conjugaison des molécules de manière à améliorer le transport de charges. Ce qui permettra également de réduire l’impact des imperfections du cristal. Cependant, il a été difficile de faire en sorte que les nouveaux semi-conducteurs organiques adoptent la structure en briques.

Modification moléculaire, mode de fonctionnement

Kazuo Takimiya, du Centre RIKEN pour la science de la matière émergente et ses collègues ont découvert que l’ajout de groupes méthylthio (CH3S —) aux semi-conducteurs organiques peut aider les molécules à former ce motif bénéfique.

Les chercheurs ont testé leur approche sur une molécule appelée pyrène, en modifiant chaque molécule avec deux ou quatre groupes méthylthio. Le pyrène lui-même a une structure sandwich en chevrons. Mais le composé portant quatre groupes méthylthio, appelé MT-pyrène, avait une structure maçonnée.

L’équipe a ensuite fait croître des plaques de 50 à 150 nanomètres d’épaisseur de MT-pyrène cristallin et les a utilisées pour produire 26 transistors à effet de champ. Les dispositifs ont tous donné de bons résultats. Ils présentaient l’une des mobilités de charge les plus élevées jamais enregistrées pour un semi-conducteur organique à structure maçonnée.

Les chercheurs ont constaté que lorsque chaque molécule comportait quatre groupes méthylthio, ceux-ci perturbaient certaines interactions entre les molécules voisines. Cela les empêchait de former une structure sandwich en chevron, et faisait en sorte qu’elles ne puissent s’empiler que face à face, comme des briques. Cela a permis d’optimiser les interactions entre les électrons p et, au final, d’améliorer le transport de charges.

L’équipe est convaincue que cette stratégie peut être étendue à d’autres molécules organiques. « Nous pensons que la méthylthiolation est une approche prometteuse qui peut être appliquée à de nombreux autres semi-conducteurs organiques », déclare Takimiya. L’équipe prévoit d’évaluer comment d’autres groupes chimiques simples affectent les structures cristallines des matériaux. Elle espère également mettre au point des méthodes plus simples pour produire de plus grandes quantités de ces cristaux.

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