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Entretien

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Encore plus d'opportunités pour les semi-conducteurs organiques.

Neil Treat, coordinateur du projet CONDPOLYBLENDORD, parle de ses conclusions concernant le fort potentiel d'innovation des semi-conducteurs organiques.

Des étiquettes d'identification par radiofréquences (RFID) aux écrans LED et les cellules photovoltaïques, le potentiel important des semi-conducteurs organiques est largement reconnu. Un projet Marie Curie s'est employé à relever le niveau de potentiel d'innovation en utilisant des additifs d'agent de nucléation pour mieux contrôler les propriétés physiques de ces systèmes. Les polymères semi-conducteurs organiques sont souvent considérés comme des matériaux à fort potentiel par les secteurs industriels les plus innovants de l'UE. Grâce à leur excellente performance en termes de conductivité électrique, de stabilité thermique, de compatibilité avec les substrats souples (déformables mécaniquement), de fabrication à faible coût et d'intégration facile aux fonctionnalités chimiques et biologiques, ces matériaux ont fait dernièrement l'objet d'une attention particulière. Aujourd'hui, ils sont surtout connus pour leurs applications prometteuses dans le développement de cellules solaires et d'écrans d'affichage flexibles perfectionnés. Afin d'amener ces matériaux au niveau supérieur et de mieux affronter la concurrence internationale, un meilleur contrôle de leur organisation physique est néanmoins nécessaire. Par exemple, il est impossible actuellement de contrôler la cristallisation de la matière plastique la plus simple, le polyéthylène (PE), qui pourrait donner une matière de bien meilleure qualité que celle du polystyrène (PS), fragile mais couramment utilisé. Un tel contrôle permettrait à l'industrie de changer, en fonction des besoins, l'aspect physique d'un PE amélioré offrant une résistance mécanique élevée; ceci pour un coût de fabrication moindre. Dans cette perspective, le projet CONDPOLYBLENDORD («Controlling the Order of Functional Polymers and their Corresponding Blends»), financé par l'UE, a utilisé des additifs d'agent de nucléation pour contrôler la commande du système au sein des polymères conducteurs et de leurs mélanges correspondants. Depuis des décennies, seules de petites quantités d'additifs étaient utilisées pour manipuler la structure à l'état solide et les propriétés des matériaux, mais aujourd'hui leur application aux polymères semi-conducteurs organiques est susceptible d'ouvrir la voie à de nombreuses innovations dans le secteur. Le projet CONDPOLYBLENDORD s'est achevé fin février. Dans le cadre d'un entretien exclusif avec le magazine research*eu, Neil Treat revient sur ses conclusions. Vous affirmez poursuivre la quête du Saint Graal pour la communauté des polymères. De quelle manière, plus précisément? CONDPOLYBLENDORD a utilisé le concept bien connu des additifs pour relever l'un des plus grands défis concernant les semi-conducteurs organiques: contrôler leur organisation physique. Avec ce projet, nous voulions relier l'ordre moléculaire et les arrangements conformationnels à un système conjugué de matière organique au moyen de phénomènes optiques, magnétiques et électroniques, et développer par ailleurs une compréhension similaire au domaine mécanique des polymères, où cette connaissance a mené au développement de fibres polymères d'une très grande résistance en vue d'une utilisation dans les gilets pare-balles et les instruments médicaux. Qu'est-ce qui vous a poussé à vous pencher sur ce domaine? J'ai commencé à m'intéresser aux polymères dès ma première année à l'université. Je me souviens avoir fait le lien que les systèmes polymères alors à l'étude dans mon laboratoire seraient utilisés pour améliorer les produits pharmaceutiques d'importance vitale. Depuis lors, je n'ai jamais voulu que mes travaux de recherche restent déconnectés ou isolés; Je me sens plus inspiré en étant à l'avant-garde de mon domaine d'expertise: analyser, remettre en cause et améliorer la technologie. Mon objectif en tant que chercheur a donc été d'appliquer le domaine scientifique, qui est ma passion, à la résolution des problèmes et des besoins de la vie de tous les jours. Cette décision m'a tout naturellement conduit à faire un doctorat à l'Université de Californie, à Santa Barbara, sur le thème d'une classe de cellules solaires qui utilisent des polymères comme composants actifs. Ces systèmes offrent la possibilité d'une production rentable sur de grandes surfaces. Durant mes études de doctorat, j'ai été invité à passer deux mois dans l'équipe du professeur Natalie Stingelin, à l'Imperial College de Londres. Natalie et moi-même avons alors commencé à explorer une idée tout à fait innovante concernant la communauté électronique organique: comment utiliser des agents de nucléation pour influencer leur structure et leurs propriétés électroniques. Heureusement, nous avons trouvé que cette approche était à la fois rationnelle et puissante et qu'elle pourrait avoir un impact sur la société en permettant une production plus rentable des sources d'énergie renouvelables. Suite à cette expérience, j'ai commencé à examiner les possibilités de développer davantage cette technologie perturbatrice dans le domaine de l'électronique organique. De quelle manière votre approche se différencie-t-elle de l'utilisation actuelle des additifs? L'approche proposée par CONDPOLYBLENDORD applique une stratégie déjà largement exploitée dans les systèmes polymères classiques aux nouveaux systèmes de matériaux que sont les semi-conducteurs organiques. Cette approche implique l'ajout d'additifs pour surfaces étendues, ce qui augmente le volume des sites de nucléation au sein du matériau hôte et, par voie de conséquence, contrôle la grosseur des cristallites de ce dernier. De par leur simplicité et adaptabilité, nos découvertes ont donc commencé à catalyser d'autres études sur les semi-conducteurs organiques, réalisées par des ingénieurs système (développement de protocoles de traitement, par exemple) et des physiciens (comprendre la relation entre micro-structure et transport de charge, par exemple). Les autres applications potentielles dans ce secteur comprennent l'utilisation des agents de nucléation pour contrôler les morphologies de phase des couches actives dans les cellules photovoltaïques organiques, où une répartition des composants actifs en couche mince semble profitable. En principe, les agents de nucléation contrôlent la taille des domaines cristallins dans ce type de matériaux, ce qui permet d'exploiter ces additifs pour produire des structures photoniques, ainsi que des études plus fondamentales dont l'élucidation de l'influence des joints de grains sur le transport de charge dans les semi-conducteurs organiques. Où en êtes-vous de la réalisation du projet? CONDPOLYBLENDORD s'est achevé fin février et nous avons atteint les objectifs qui avaient été fixés au début du projet. Les conclusions du projet seront largement applicables à d'autres systèmes fonctionnels, tels que les nanomatériaux, les matériaux ferroélectriques, les organiques magnétiques, et nous avons l'espoir que nos travaux stimuleront d'autres groupes à poursuivre dans cette voie. Quelles fenêtres d'opportunité vos nouveaux agents de nucléation ouvrent-ils pour l'industrie en Europe? CONDPOLYBLENDORD a clairement souligné l'importance de faire converger la recherche, la technologie et l'innovation pour favoriser la transformation de l'industrie des polymères, du stade de marchandises à celui de produits qui changent la vie, tout en les intégrant activement au secteur photovoltaïque de l'UE. Mon but était de contribuer à la connaissance fondamentale des polymères semi-conducteurs et de leurs mélanges correspondants en contrôlant la morphologie au sein de ces systèmes au travers de l'utilisation d'agents de nucléation; une approche qui n'avait jamais été abordée ni utilisée jusqu'alors dans les polymères semi-conducteurs et leurs mélanges correspondants. Contrôler la nanomorphologie des polymères conducteurs et leurs mélanges est toujours essentiel pour poursuivre l'évolution dans le domaine de l'électronique organique. CONDPOLYBLENDORD a donc été conçu pour apporter une contribution significative au secteur européen de l'industrie et de la recherche en électronique organique, par une meilleure compréhension de la façon de contrôler la morphologie des mélanges polymère-fullerène. J'ai par ailleurs essayé d'exploiter toute l'expertise interdisciplinaire en chimie, ingénierie et physique; ce qui m'a permis de mieux comprendre les exigences en matière de nucléation et de concevoir ainsi de nouveaux matériaux qui, un jour, pourraient déboucher sur de nouvelles opportunités rendant possible la réalisation de produits simples, sur grande surface, et donnant l'occasion à l'Europe de renforcer la position qu'elle détient depuis longtemps déjà dans le domaine de la fabrication de pointe. Quand pensez-vous voir l'effet de vos travaux de recherche sur le marché? Les produits comprenant des semi-conducteurs organiques tels que les diodes électroluminescentes organiques (OLED) sont déjà utilisés au quotidien, par exemple dans les appareils mobiles. CONDPOLYBLENDORD se concentre sur les aspects fondamentaux du mode de contrôle de la cristallisation de cette classe de matériaux fonctionnels. Nous pensons que nos découvertes contribueront à faciliter d'autres développements technologiques. Notre espoir est que les agents de nucléation puissent améliorer la viabilité commerciale d'autres systèmes de matériaux en réglant des problèmes comme celui de la reproductibilité d'un lot à l'autre. Quelles sont les prochaines étapes du projet et avez-vous envisagé un suivi après son achèvement? Au Centre of Plastic Electronics de l'Imperial College de Londres, nous continuerons à utiliser des agents de nucléation comme stratégie pour contrôler la cristallisation et la formation de microstructures dans le cadre des technologies innovantes, notamment les cellules photovoltaïques en pérovskite.

Pays

Royaume-Uni

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