Des chercheurs du Laboratoire de Nanochimie de l’Institut de Science et d’Ingénierie Supramoléculaires (CNRS / Université de Strasbourg), en collaboration avec l’Université Humboldt de Berlin (Allemagne), l’Université de Stanford (USA) et l’Université libre de Bruxelles (Belgique), ont démontré que des transistors à effet de champ à commande optique de haute performance peuvent être élaborés en mélangeant des molécules photochromiques avec de petites molécules semi-conductrices organiques. De tels dispositifs multifonctionnels organiques sont considérés comme des éléments clés pour les circuits logiques du futur. Ces travaux sont parus dans la revue Nature Communications.
Les matériaux optoélectroniques organiques attirent une attention particulière pour le développement de dispositifs multifonctionnels bon marché, comme les phototransistors et les mémoires optiques. Dans ces dispositifs, la lumière est utilisée pour moduler les propriétés électriques. En particulier, la conductivité peut être ajustée en incorporant des molécules photochromiques qui peuvent subir une interconversion réversible induite par la lumière entre plusieurs isomères ayant des propriétés physiques et chimiques sensiblement différentes.
Les diaryléthènes (DAE) font partie des molécules photochromiques les plus intéressantes comme semi-conducteurs pour les transistors à couches minces. Les couches minces composées uniquement de DAE présentent cependant des propriétés de transport de charge limitées. Ce problème peut être résolu en mélangeant le DAE avec une (semi-)conducteur organique tel qu’un polymère afin de combiner la sensibilité à la lumière du DAE avec le transport de charge favorable du constituant de la matrice correspondante, comme l’ont rapporté dans un article fondateur les équipes strasbourgeoise et berlinoise (Nature Chemistry 2012, 4, 675–679). Cela a soulevé la question de savoir si l’approche consistant à mélanger un DAE avec un polymère est plus largement applicable aux petites molécules semi-conductrices connues pour conférer de meilleures performances aux transistors à couches minces.
Les chercheurs ont ainsi étudié l’impact de l’organisation supramoléculaire résultant du schéma de substitution spécifique du DAE (c’est-à-dire présentant des substituants alkyle différents –tert-butyle ou méthyle) sur la photo-commutation lorsqu’il est incorporé dans une matrice à base d’un polymère ou d’une petite molécule. Le poly(3-hexylthiophène) (P3HT) a été choisi comme polymère semi-conducteur modèle, et un dérivé de benzothiénobenzothiophène (BTBT) équipé de chaînes alkyle en C12 comme petite molécule semi-conductrice pour la matrice en raison de ses caractéristiques électroniques exceptionnelles et sa processabilité en solution.
Le groupe de chercheurs a réussi à fabriquer des transistors à commande optique à base de BTBT présentant des mobilités des porteurs de charge atteignant 0,21 cm2·V-1·s-1. Leurs résultats montrent que la conception moléculaire a permis de contrôler les interactions entre les composés mélangés et ainsi la cristallinité et la morphologie des couches, ce qui affecte au final le transport de charge dans le dispositif, la photo-modulation du courant et les performances de la commutation. Ils ont démontré que de petites molécules semi-conductrices peuvent en effet surpasser leurs homologues polymères en termes de performances électriques photosensibles lorsqu’elles sont mélangées avec des molécules photochromiques de type DAE dans des transistors à couches minces. Le schéma de substitution du DAE – qui contrôle la morphologie des couches minces – et les conditions d’irradiation – qui doivent préserver la réversibilité – s’avèrent être des paramètres critiques pour l’optimisation des dispositifs.
Il a ainsi été prouvé que cette approche est généralisable aux molécules semi-conductrices organiques et s’adapte à la fonction principale du dispositif en question. Ces résultats prometteurs ouvrent la voie au développement de dispositifs électroniques à commande optique de haute performance avec des applications potentielles pour les mémoires et les circuits logiques, et plus généralement en optoélectronique et en détection optique.
Représentation schématique du transistor à effet de champ à base d’un mélange d’une molécule photochromique et d’une petite molécule semi-conductrice organique. Les performances du dispositif sous illumination dépendent de la nature et de la position des substituants alkyle portés par la molécule photochromique.
Référence
Mirella El Gemayel, Karl Börjesson, Martin Herder, Duc T. Duong, James A. Hutchison, Christian Ruzié, Guillaume Schweicher, Alberto Salleo, Yves Geerts, Stefan Hecht,* Emanuele Orgiu,* Paolo Samorì*
Optically switchable transistors by simple incorporation of photochromic systems into small molecule semiconducting matrices
Nature Commun., 5 mars 2015
DOI : 10.1038/ncomms7330
Contacts chercheurs
Paolo Samorì, Institut de Science et d’Ingénierie Supramoléculaires (ISIS) – Strasbourg
Tél. : 03 68 85 51 60
Courriel : samori@unistra.fr
Emanuele Orgiu, Institut de Science et d’Ingénierie Supramoléculaires (ISIS) – Strasbourg
Tél. : 03 68 85 51 80
Courriel : orgiu@unistra.fr