Un ajustement moléculaire améliore les performances des semi-conducteurs organiques pour les appareils électroniques flexibles

Un ajustement moléculaire améliore les performances des semi-conducteurs organiques pour les appareils électroniques flexibles

Figure 1 : Images de microscopie optique d’un monocristal de MT-pyrène (trapèze d’or). Il a amélioré les performances d’un transistor à effet de champ. Crédit : Centre RIKEN pour la science de la matière émergente

L’ajout d’un simple groupe chimique contenant du soufre à une molécule semi-conductrice peut considérablement augmenter les performances de la molécule dans un transistor, ont découvert les chimistes de RIKEN. Cela suggère que les propriétés des semi-conducteurs à base de carbone pourraient être ajustées en incorporant ces groupes.

La plupart des appareils électroniques sont actuellement à base de silicium. Cependant, les molécules semi-conductrices organiques offrent un moyen de fabriquer des dispositifs moins chers et flexibles 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 au 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, qui facilite le transport de la charge électrique.

Dans les cristaux de pentacène, les molécules sont disposées en chevrons, une structure courante pour les semi-conducteurs organiques. Lorsque ces motifs à chevrons forment une structure de type sandwich, le transport de charge est très faible. En revanche, les molécules de TIPS-pentacène ont un motif plus inhabituel : elles s’empilent comme des briques dans un mur. Cela façonne la conjugaison p des molécules d’une manière qui améliore le transport de charge et réduit l’impact des imperfections dans le cristal. Cependant, il a été difficile de garantir que les nouveaux semi-conducteurs organiques adoptent la structure en brique.

Maintenant, Kazuo Takimiya du RIKEN Center for Emergent Matter Science et ses collègues ont découvert que l’ajout de groupes méthylthio (CH3S–) aux semi-conducteurs organiques peuvent aider les molécules à former ce motif bénéfique.

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

L’équipe a ensuite fait pousser 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 bien fonctionné, présentant l’une des mobilités de charge les plus élevées enregistrées pour tous les semi-conducteurs organiques avec la structure en brique.

Les chercheurs ont découvert que lorsque chaque molécule avait quatre groupes méthylthio, ils perturbaient certaines interactions entre les molécules voisines. Cela les empêchait de former une structure à chevrons en sandwich et garantissait qu’ils ne pouvaient s’empiler que face à face, comme des briques. Cela a optimisé les interactions entre les électrons p et a finalement amélioré le transport de charge.

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. Ils espèrent également développer des méthodes plus simples pour produire de plus grandes quantités de tels cristaux.


Plier un semi-conducteur organique peut augmenter le flux électrique


Plus d’information:
Kazuo Takimiya et al, « Manipulation » de la structure cristalline par méthylthiolation permettant une mobilité ultra-élevée dans un semi-conducteur moléculaire à base de pyrène, Matériaux avancés (2021). DOI : 10.1002/adma.202102914

Citation: Le tweak moléculaire améliore les performances des semi-conducteurs organiques pour les appareils électroniques flexibles (2021, 22 octobre) récupéré le 22 octobre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-10-molecular-tweak-boosts-semiconductors-flexible.html

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