Résoudre le problème du dopage : les physiciens ont découvert de nouvelles façons d'améliorer les semi-conducteurs organiques

Appareil utilisé pour mesurer les propriétés des semi-conducteurs. Crédit : Dr Martin Statzs, Sirringhaus Lab

Les scientifiques ont amélioré les semi-conducteurs organiques en réalisant une extraction d'électrons révolutionnaire et en exploitant les propriétés de l'état de non-équilibre, potentiellement augmentant l'efficacité des dispositifs thermoélectriques.

Les physiciens de Cavendish ont découvert deux nouvelles façons d'améliorer les semi-conducteurs organiques. Ils ont trouvé un moyen d'extraire plus d'électrons du matériau que précédemment possible et ont utilisé des propriétés inattendues dans un environnement connu sous le nom d'état de non-équilibre, augmentant ainsi ses performances pour une utilisation dans les dispositifs électroniques.

« Nous voulions vraiment comprendre ce qui se passe lorsque vous dopez fortement les semi-conducteurs polymères », a déclaré le Dr Dionisius Tjhe, chercheur postdoctoral associé au Laboratoire Cavendish. Le dopage est le processus de retrait ou d'ajout d'électrons dans un semi-conducteur, augmentant sa capacité à transporter un courant électrique.

Dans un article récent publié dans Nature Materials, Tjhe et ses collègues détaillent comment ces nouvelles perspectives pourraient être utiles pour améliorer les performances des semi-conducteurs dopés.

Les électrons dans les solides sont organisés en bandes d'énergie. La bande d'énergie la plus élevée, appelée bande de valence, contrôle de nombreuses propriétés physiques importantes telles que la conductivité électrique et la liaison chimique. Le dopage des semi-conducteurs organiques est réalisé en retirant une petite fraction d'électrons de la bande de valence. Les trous, l'absence d'électrons, peuvent alors circuler et conduire l'électricité.

Vidage des bandes de valence et de valence plus profonde par dopage. Crédit : Sirringhaus Lab

« Traditionnellement, seulement dix à vingt pour cent des électrons de la bande de valence d'un semi-conducteur organique sont retirés, ce qui est déjà beaucoup plus élevé que les niveaux de parties par million typiques dans les semi-conducteurs au silicium », a déclaré Tjhe. « Dans deux des polymères que nous avons étudiés, nous avons pu vider complètement la bande de valence. Plus étonnamment, dans l'un de ces matériaux, nous pouvons aller encore plus loin et retirer des électrons de la bande inférieure. Cela pourrait être la première fois que cela est réalisé ! »

Il est intéressant de noter que la conductivité est significativement plus élevée dans la bande de valence plus profonde, par rapport à la bande supérieure. « L'espoir est que le transport de charge dans les niveaux d'énergie profonds pourrait finalement conduire à des dispositifs thermoélectriques plus puissants. Ceux-ci convertissent la chaleur en électricité », a déclaré le Dr Xinglong Ren, chercheur postdoctoral associé au Laboratoire Cavendish et co-premier auteur de l'étude. « En trouvant des matériaux avec une plus grande puissance de sortie, nous pouvons convertir plus de notre chaleur perdue en électricité et en faire une source d'énergie plus viable. »

Bien que les chercheurs pensent que le vidage de la bande de valence devrait être possible dans d'autres matériaux, cet effet est peut-être plus facilement observable dans les polymères. « Nous pensons que la façon dont les bandes d'énergie sont disposées dans notre polymère, ainsi que la nature désordonnée des chaînes polymères, nous permet de le faire », a déclaré Tjhe. « En revanche, d'autres semi-conducteurs, tels que le silicium, sont probablement moins susceptibles d'accueillir ces effets, car il est plus difficile de vider la bande de valence dans ces matériaux. Comprendre comment reproduire ce résultat dans d'autres matériaux est l'étape cruciale suivante. C'est un moment passionnant pour nous. »

Le dopage entraîne une augmentation du nombre de trous, mais il augmente également le nombre d'ions, ce qui limite la puissance. Heureusement, les chercheurs peuvent contrôler le nombre de trous, sans affecter le nombre d'ions, en utilisant une électrode connue sous le nom de grille à effet de champ.

« En utilisant la grille à effet de champ, nous avons constaté que nous pouvions ajuster la densité de trous, ce qui a conduit à des résultats très différents », a expliqué le Dr Ian Jacobs, boursier de recherche universitaire de la Royal Society au Laboratoire Cavendish. « La conductivité est normalement proportionnelle au nombre de trous, augmentant lorsque le nombre de trous est augmenté, et diminuant lorsqu'ils sont retirés. Cela est observé lorsque nous changeons le nombre de trous en ajoutant ou en retirant des ions. Cependant, lors de l'utilisation de la grille à effet de champ, nous observons un effet différent. L'ajout ou le retrait de trous entraîne toujours une augmentation de la conductivité ! »

Les chercheurs ont pu attribuer ces effets inattendus à un 'fossé de Coulomb', une caractéristique bien connue, bien que rarement observée, dans les semi-conducteurs désordonnés. Il est intéressant de noter que cet effet disparaît à température ambiante et la tendance attendue est retrouvée.

« Les fossés de Coulomb sont notoirement difficiles à observer dans les mesures électriques, car ils ne deviennent visibles que lorsque le matériau ne parvient pas à trouver sa configuration la plus stable », a ajouté Jacobs. « D'un autre côté, nous avons pu observer ces effets à des températures beaucoup plus élevées que prévu, seulement environ -30°C. »

«Il s'avère que dans notre matériau, les ions se figent ; cela peut se produire à des températures relativement élevées», a déclaré Ren. «Si nous ajoutons ou retirons des électrons lorsque les ions sont figés, le matériau se trouve dans un état de non-équilibre. Les ions préfèreraient se réarranger et stabiliser le système, mais ils ne le peuvent pas car ils sont figés. Cela nous permet de voir l'écart de Coulomb.»

Habituellement, il y a un compromis entre la puissance thermélectrique et la conductivité, l'une augmentant tandis que l'autre diminue. Cependant, en raison de l'écart de Coulomb et des effets de non-équilibre, les deux peuvent être augmentés ensemble, ce qui signifie que les performances peuvent être améliorées. La seule limitation est que la grille à effet de champ n'affecte actuellement que la surface du matériau. Si la partie principale du matériau peut être affectée, cela augmenterait la puissance et la conductivité à des magnitudes encore plus grandes.

Bien que le groupe ait encore du chemin à parcourir, l'article de recherche décrit clairement une méthode pour améliorer les performances des semi-conducteurs organiques. Avec des perspectives passionnantes dans le domaine de l'énergie, le groupe a ouvert la voie à de nouvelles investigations sur ces propriétés. «Le transport dans ces états de non-équilibre s'avère une fois de plus être une voie prometteuse pour de meilleurs dispositifs thermélectriques organiques», a déclaré Tjhe.