La nouvelle méthode consiste à plonger le plastique conducteur dans une solution saline spéciale – un photocatalyseur – puis à l’éclairer avec de la lumière pendant une courte période, ce qui donne un plastique conducteur dopé p dans lequel la seule substance consommée est l’oxygène de l’air. Crédit : Thor Balkhed
Une nouvelle méthode de dopage utilise l'air et la lumière pour améliorer la conductivité des semi-conducteurs organiques, promettant une plus grande évolutivité et une plus grande durabilité environnementale dans la production d'appareils électroniques.
Les semi-conducteurs constituent le fondement de toute l’électronique moderne. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Linköping, en Suède, ont développé une nouvelle méthode où les produits biologiques semi-conducteurs peut devenir plus conducteur avec l’aide de l’air comme dopant. L'étude, publiée dans la revue Natureconstitue une étape importante vers de futurs semi-conducteurs organiques bon marché et durables.
« Nous pensons que cette méthode pourrait influencer de manière significative la manière dont nous dopons les semi-conducteurs organiques. Tous les composants sont abordables, facilement accessibles et potentiellement respectueux de l'environnement, ce qui constitue une condition préalable à l'électronique durable du futur », déclare Simone Fabiano, professeur agrégé à l'université de Linköping.
Les semi-conducteurs basés sur des plastiques conducteurs au lieu du silicium ont de nombreuses applications potentielles. Entre autres choses, les semi-conducteurs organiques peuvent être utilisés dans les écrans numériques, les cellules solaires, les LED, les capteurs, les implants et pour le stockage d'énergie.
Chercheurs Chi-Yuan Yang, Simone Fabiano et Qingqing Wang du Laboratoire d'électronique organique de l'Université de Linköping. Crédit : Thor Balkhed
Pour améliorer la conductivité et modifier les propriétés des semi-conducteurs, des dopants sont généralement introduits. Ces additifs facilitent le mouvement des charges électriques au sein du matériau semi-conducteur et peuvent être adaptés pour induire des charges positives (dopage p) ou négatives (dopage n). Les dopants les plus couramment utilisés aujourd’hui sont souvent soit très réactifs (instables), coûteux, difficiles à fabriquer, ou les trois.
Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Linköping ont développé une méthode de dopage qui peut être appliquée à température ambiante, dans laquelle des dopants inefficaces tels que l'oxygène sont le dopant principal et où la lumière active le processus de dopage.
Innovations dans les méthodes de dopage
« Notre approche s'inspire de la nature, car elle partage de nombreuses analogies avec photosynthèse, Par exemple. Dans notre méthode, la lumière active un photocatalyseur, qui facilite ensuite le transfert d'électrons d'un dopant généralement inefficace vers le matériau semi-conducteur organique », explique Simone Fabiano.
La nouvelle méthode consiste à plonger le plastique conducteur dans une solution saline spéciale – un photocatalyseur – puis à l’éclairer avec de la lumière pendant une courte période. La durée de l'éclairage détermine le degré de dopage du matériau. Ensuite, la solution est récupérée pour une utilisation future, laissant derrière elle un plastique conducteur dopé P dans lequel la seule substance consommée est l’oxygène de l’air.
Simone Fabiano, professeur associé principal à l'Université de Linköping. Crédit : Thor Balkhed
Ceci est possible parce que le photocatalyseur agit comme une « navette électronique », prenant des électrons ou les cédant au matériau en présence d’oxydants ou de réducteurs faibles sacrificiels. Ceci est courant en chimie mais n’a jamais été utilisé en électronique organique auparavant.
« Il est également possible de combiner le dopage p et le dopage n dans la même réaction, ce qui est assez unique. Cela simplifie la production de dispositifs électroniques, en particulier ceux nécessitant des semi-conducteurs dopés p et n, tels que les générateurs thermoélectriques. Toutes les pièces peuvent être fabriquées en même temps et dopées simultanément au lieu d'une par une, ce qui rend le processus plus évolutif », explique Simone Fabiano.
Le semi-conducteur organique dopé a une meilleure conductivité que les semi-conducteurs traditionnels et le processus peut être étendu. Simone Fabiano et son groupe de recherche du Laboratoire d'électronique organique ont montré plus tôt en 2024 comment les plastiques conducteurs pouvaient être traités à partir de solvants respectueux de l'environnement comme l'eau ; c'est leur prochaine étape.
«Nous commençons à essayer de comprendre pleinement le mécanisme qui se cache derrière cela et quels autres domaines d'application potentiels existent. Mais c'est une approche très prometteuse qui montre que le dopage photocatalytique est une nouvelle pierre angulaire de l'électronique organique », déclare Simone Fabiano, membre de la Wallenberg Academy.
Financement : Knut et Alice Wallenbergs Stiftelse, Wallenberg Wood Science Center, Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability, Vetenskapsrådet, Stiftelsen Olle Engkvist Byggmästare, Commission européenne, domaine de recherche stratégique du gouvernement suédois sur les matériaux fonctionnels avancés (AFM) à l'Université de Linköping
