Le polymère conducteur est prometteur pour la prochaine génération d’électronique organique

Flexion de la puissance d'un polymère conducteur

L’illustration du concept représente des électrons hautement mobiles se déplaçant à travers le polymère. 1 crédit

Pendant des décennies, les transistors à effet de champ activés par des semi-conducteurs à base de silicium ont propulsé la révolution électronique. Mais ces dernières années, les fabricants se sont heurtés à des limites physiques strictes pour réduire davantage la taille et gagner en efficacité des puces en silicium. C’est pourquoi les scientifiques et les ingénieurs recherchent des alternatives aux transistors CMOS (métal-oxyde-semi-conducteur) conventionnels.

“Les semi-conducteurs organiques offrent plusieurs avantages distincts par rapport aux dispositifs semi-conducteurs conventionnels à base de silicium : ils sont fabriqués à partir d’éléments disponibles en abondance, tels que le carbone, l’hydrogène et l’azote ; ils offrent une flexibilité mécanique et un faible coût de fabrication ; et ils peuvent être fabriqués facilement à grande échelle, ” note Yon Visell, professeur d’ingénierie à l’UC Santa Barbara, qui fait partie d’un groupe de chercheurs travaillant avec les nouveaux matériaux.

“Peut-être plus important encore, les polymères eux-mêmes peuvent être fabriqués à l’aide d’une grande variété de méthodes chimiques pour doter les dispositifs semi-conducteurs résultants de propriétés optiques et électriques intéressantes. Ces propriétés peuvent être conçues, ajustées ou sélectionnées de bien plus de façons que les inorganiques (par exemple, transistors à base de silicium).

La flexibilité de conception décrite par Visell est illustrée par la reconfigurabilité des dispositifs rapportés par les chercheurs de l’UCSB et d’autres dans la revue Matériaux avancés.

Les circuits logiques reconfigurables présentent un intérêt particulier en tant que candidats pour l’électronique post-CMOS, car ils permettent de simplifier la conception des circuits tout en augmentant l’efficacité énergétique. Une classe récemment développée de transistors à base de carbone (par opposition, par exemple, à base de silicium ou de nitrure de gallium), appelée transistors électrochimiques organiques (OECT), s’est avérée bien adaptée à l’électronique reconfigurable.

Dans l’article récent, le professeur de chimie Thuc-Quyen Nguyen, qui dirige le Centre UCSB pour les polymères et les solides organiques, et des co-auteurs, dont Visell, décrivent un matériau révolutionnaire – un polymère à base de carbone souple et semi-conducteur – qui peut offrir des avantages uniques par rapport au semi-conducteurs inorganiques que l’on trouve actuellement dans les transistors en silicium conventionnels.

“Les dispositifs logiques organiques reconfigurables sont des candidats prometteurs pour les prochaines générations de systèmes informatiques efficaces et d’électronique adaptative”, écrivent les chercheurs. “Idéalement, de tels dispositifs seraient de structure et de conception simples, [as well as] économe en énergie et compatible avec les techniques de microfabrication à haut débit.”

Conjuguer pour la conductivité

Un polyélectrolyte conjugué, ou CPE-K, consiste en un squelette central conjugué, avec des liaisons simples et doubles alternées, et de multiples chaînes latérales chargées avec des ions attachés. “Le fait d’avoir des liaisons conjuguées dans tout le polymère le rend conducteur, car les électrons délocalisés ont une grande mobilité sur toute la longueur du polymère”, explique l’auteur principal Tung Nguyen-Dang, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Nguyen, co-dirigé par Visell. “Vous mariez deux matériaux classiques, le polymère et le semi-conducteur, dans cette conception moléculaire.”

L’intelligence artificielle (IA) a joué un rôle dans le développement du matériel. “Vous pouvez procéder par essais et erreurs pour fabriquer un matériau”, explique Nguyen. “Vous pouvez en créer tout un tas et espérer le meilleur, et peut-être qu’un sur vingt fonctionne ou a des propriétés intéressantes ; cependant, nous avons travaillé avec un professeur de l’État de Californie à Northridge, Gang Lu, qui a utilisé l’IA pour sélectionner des blocs de construction et faire des calculs pour avoir une idée approximative de la façon de procéder, compte tenu du niveau d’énergie et des propriétés que nous visons.”

Comprendre la reconfigurabilité

L’un des principaux avantages du CPE-K est qu’il permet des portes logiques reconfigurables (“double mode”), ce qui signifie qu’elles peuvent être commutées à la volée pour fonctionner en mode d’épuisement ou en mode d’accumulation, simplement en ajustant la tension à la porte. En mode d’épuisement, le courant traversant le matériau actif entre le drain et la source est initialement élevé, avant l’application de toute tension de grille (c’est-à-dire l’état ON). Lorsque la tension de grille est appliquée, le courant chute et le transistor passe à l’état OFF. Le mode d’accumulation est le contraire – sans tension de grille, le transistor est en position OFF et l’application d’une tension de grille produit un courant plus élevé, faisant passer l’appareil à l’état ON.

“Les portes logiques électroniques conventionnelles, qui sont les éléments constitutifs de tous les circuits numériques que l’on trouve dans les ordinateurs ou les smartphones, sont du matériel qui ne fait que le travail pour lequel il est conçu”, explique Nguyen. “Par exemple, une porte ET a deux entrées et une sortie, et si les entrées qui lui sont appliquées sont toutes 1, alors la sortie sera 1. De même, une porte NOR a également deux entrées et une sortie, mais si toutes les les entrées qui lui sont appliquées sont 1, alors la sortie sera 0. Les portes électroniques sont implémentées à l’aide de transistors, et leur reconfiguration (comme le passage d’une porte ET à une porte NOR) nécessite une modification invasive, comme le démontage, qui est généralement trop compliqué être pratique.

“Les portes reconfigurables, comme celle que nous montrons, peuvent se comporter comme les deux types de portes logiques, passant de AND à NOR et vice versa en ne modifiant que la tension de grille”, poursuit-elle. “Actuellement en électronique, la fonctionnalité est définie par la structure, mais dans notre appareil, vous pouvez modifier le comportement et en faire quelque chose d’autre simplement en modifiant la tension qui lui est appliquée. Si nous étendons cette invention d’une seule porte à des circuits beaucoup plus complexes constitués de nombreuses portes reconfigurables de ce type, nous pouvons imaginer un matériel puissant qui peut être programmé avec beaucoup plus de fonctionnalités que les portes conventionnelles ayant le même nombre de transistors.”

Autre avantage des OECT basés sur CPE-K : ils peuvent fonctionner à de très basses tensions, ce qui les rend adaptés à une utilisation dans l’électronique personnelle. Cela, combiné à sa flexibilité et sa biocompatibilité, fait du matériau un candidat probable pour les biocapteurs implantés, les dispositifs portables et les systèmes informatiques neuromorphiques dans lesquels les OECT pourraient servir de synapses artificielles ou de mémoires non volatiles.

“Notre collègue fabrique des appareils capables de surveiller la baisse du taux de glucose dans le cerveau qui se produit juste avant une crise”, explique Nguyen à propos d’un collaborateur de l’Université de Cambridge en Angleterre. “Et après la détection, un autre appareil – un appareil microfluidique – délivrera un médicament localement pour arrêter le processus avant qu’il ne se produise.”

Les dispositifs fabriqués à partir de CPE-K présentent un dopage et un dédopage simultanés en fonction du type d’ions, selon Nguyen. “Vous fabriquez l’appareil et le mettez dans un électrolyte liquide – du chlorure de sodium [i.e., table salt] dissous dans l’eau », dit-elle. « Vous pouvez ensuite amener le sodium à migrer dans la couche active CPE-K en appliquant une tension positive à la grille. Alternativement, vous pouvez changer la polarité de la tension de grille et conduire le chlorure à migrer vers la couche active. Chaque scénario produit un type différent d’injection d’ions, et ces différents ions nous permettent de changer les modes de fonctionnement de l’appareil.”

L’auto-dopage simplifie également le processus de fabrication en supprimant l’étape supplémentaire d’ajout de dopants. “Souvent, lorsque vous ajoutez un dopant, il n’est pas réparti uniformément dans le volume du matériau”, explique Nguyen. “Les matériaux de dopage organique ont tendance à se regrouper au lieu de se disperser. Mais parce que notre matériau n’a pas besoin de cette étape, vous ne rencontrez pas le problème de la distribution inégale du dopant. Vous évitez également tout le processus d’optimisation du dopant et de détermination du le bon mélange et les bonnes proportions, qui ajoutent toutes des étapes et compliquent le traitement.”

L’équipe a également développé un modèle physique pour l’appareil qui explique son mécanisme de fonctionnement et prédit correctement son comportement dans les deux modes de fonctionnement, démontrant ainsi que l’appareil fait ce qu’il semble faire.

Visell conclut : « Cette remarquable nouvelle technologie de transistor illustre idéalement les surprenantes fonctionnalités électroniques et informatiques qui sont rendues possibles grâce à la recherche convergente en chimie, physique, matériaux et génie électrique.


Commutation logique à l’aide d’une seule molécule


Plus d’information:
Tung Nguyen-Dang et al, Transistors électrochimiques organiques à double mode basés sur des polyélectrolytes conjugués autodopés pour l’électronique reconfigurable (Adv. Mater. 23/2022), Matériaux avancés (2022). DOI : 10.1002/adma.202270170

Fourni par Université de Californie – Santa Barbara

Citation: Le polymère conducteur est prometteur pour la prochaine génération d’électronique organique (2022, 23 juin) récupéré le 23 juin 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-06-polymer-electronics.html

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