Amélioration des performances des semi-conducteurs organiques

Des 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 qu’auparavant et ont utilisé des propriétés inattendues dans un environnement connu sous le nom d’état de non-équilibre, améliorant ainsi ses performances pour une utilisation dans des appareils électroniques.

« Nous voulions vraiment aller droit au but et comprendre ce qui se passe lorsque l’on dope fortement les semi-conducteurs polymères », a déclaré le Dr Dionisius Tjhe, chercheur postdoctoral associé au laboratoire Cavendish. Le dopage est le processus consistant à retirer ou à ajouter des électrons dans un semi-conducteur, augmentant ainsi sa capacité à transporter du courant électrique.

Dans un article récent publié dans Matériaux naturelsTjhe et ses collègues détaillent comment ces nouvelles connaissances pourraient être utiles pour améliorer les performances des semi-conducteurs dopés.

Des bandes énergétiques à des niveaux de dopage sans précédent

Les électrons des 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 dans les semi-conducteurs organiques est obtenu en retirant une petite fraction d’électrons de la bande de valence. Les trous, c’est-à-dire l’absence d’électrons, peuvent alors circuler et conduire l’électricité.

« Traditionnellement, seuls 10 à 20 % des électrons de la bande de valence d’un semi-conducteur organique sont éliminés, ce qui est déjà bien plus élevé que les niveaux de parties par million typiques des 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 surprenant, dans l’un de ces matériaux, nous pouvons aller encore plus loin et éliminer 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 nettement plus élevée dans la bande de valence la plus profonde que dans la bande supérieure. « L’espoir est que le transport de charge dans les niveaux d’énergie profonds puisse finalement conduire à des dispositifs thermoélectriques de plus grande puissance. 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 puissance de sortie plus élevée, nous pouvons convertir une plus grande partie de notre chaleur résiduelle en électricité et en faire une source d’énergie plus viable. »

Pourquoi cela a-t-il été observé dans ce matériel ?

Bien que les chercheurs pensent que la suppression de la bande de valence devrait être possible dans d’autres matériaux, cet effet est peut-être plus facilement observé 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 permettent de le faire », a déclaré Tjhe.

« En revanche, d’autres semi-conducteurs, comme le silicium, sont probablement moins susceptibles d’être concernés par 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 la prochaine étape cruciale. C’est une période passionnante pour nous. »

Existe-t-il un autre moyen d’augmenter les performances thermoélectriques ?

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 appelée grille à effet de champ.

« En utilisant la porte à effet de champ, nous avons découvert que nous pouvions ajuster la densité des trous, ce qui a conduit à des résultats très différents », explique le Dr Ian Jacobs, chercheur universitaire de la Royal Society au laboratoire Cavendish.

« La conductivité est normalement proportionnelle au nombre de trous, elle augmente lorsque le nombre de trous augmente et diminue lorsqu’ils sont supprimés. On l’observe lorsque l’on modifie le nombre de trous en ajoutant ou en supprimant des ions. Cependant, lorsque l’on utilise la porte à effet de champ, on observe un effet différent. L’ajout ou la suppression de trous entraîne toujours une augmentation de la conductivité ! »

Exploiter la puissance de l’état de non-équilibre

Les chercheurs ont pu relier ces effets inattendus à un « écart 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 que la tendance attendue est rétablie.

« Les écarts de Coulomb sont notoirement difficiles à observer dans les mesures électriques, car ils ne deviennent visibles que lorsque le matériau est incapable de 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 gèlent ; cela peut se produire à des températures relativement élevées », a déclaré Ren. « Si nous ajoutons ou retirons des électrons alors que les ions sont gelés, le matériau se trouve dans un état de non-équilibre. Les ions préféreraient se réorganiser et stabiliser le système, mais ils ne le peuvent pas car ils sont gelés. Cela nous permet d’observer le gap de Coulomb. »

En général, il existe un compromis entre la puissance thermoélectrique produite et la conductivité : l’une augmente tandis que l’autre diminue. Cependant, en raison de l’écart de Coulomb et des effets de non-équilibre, les deux peuvent être augmentées ensemble, ce qui signifie que les performances peuvent être améliorées. La seule limitation est que la porte à effet de champ n’affecte actuellement que la surface du matériau. Si la majeure partie du matériau pouvait être affectée, la puissance et la conductivité augmenteraient encore plus.

Bien que le groupe ait encore des progrès à faire, le document de recherche décrit une méthode claire pour améliorer les performances des semi-conducteurs organiques. Avec des perspectives intéressantes dans le domaine de l’énergie, le groupe a laissé la porte ouverte à des recherches plus approfondies sur ces propriétés. « Le transport dans ces états de non-équilibre s’est une fois de plus avéré être une voie prometteuse pour de meilleurs dispositifs thermoélectriques organiques », a déclaré Tjhe.