Une nouvelle étude éclaircit le rôle du transport des charges dans des matériaux organiques.
Les chercheurs du projet ELECTROMAT(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) (Electronic transport in organic materials) ont travaillé à un cadre théorique et informatique pour relier la structure atomique du matériau organique avec ses propriétés électriques. Les semi-conducteurs organiques peuvent être sensibles à des effets de polarons, ce qui les empêche de transporter efficacement des charges. Dans ce contexte, la première tâche a été de déterminer la nature des porteurs de charge dans des cristaux organiques. Une étude détaillée du couplage électrons-phonons dans des cristaux de polyacènes a montré qu'il n'est pas assez fort pour induire la formation de polarons. Ensuite, les chercheurs d'ELECTROMAT ont conçu une méthode pour simuler le transport des charges dans des cristaux organiques. Elle impliquait des calculs ab initio tenant compte de la nature quantique des phonons et des électrons. Les données obtenues sur la mobilité des porteurs en fonction de la température ont montré un bon accord avec les données d'expériences conduites sur des cristaux organiques de polyacènes. Les données théoriques correspondaient aussi avec les expériences dans des cristaux de points quantiques. Dans de tels solides, les chercheurs ont aussi constaté que la conduction est assurée par des petits sauts de polarons. Selon leur traitement, les polymères conjugués peuvent avoir une structure complexe. Certaines parties sont bien ordonnées, alors que d'autres sont totalement désordonnées. Le rôle de l'interface entre les zones amorphes et cristallisées, dans le transport des charges, est encore mal compris. Les chercheurs ont envisagé deux types d'interface, et constaté que le transport des charges se fait à travers les domaines cristallisés. Les régions amorphes se conduisent comme des barrières élevées pour les porteurs de charges. Et contrairement à ce qui se passe dans les petites molécules de cristaux organiques, l'interface ne montre pas la formation de sites de piégeage. Grâce aux simulations, les chercheurs ont acquis une bonne compréhension du transport des charges dans des polymères conjugués très désordonnés et ordonnés. Quant à l'impact des limites des grains sur le transport de charge, dans les cristaux organiques, les chercheurs ont constaté qu'elles engendraient des états pièges dans la bande interdite du matériau. Leur emplacement et leur énergie ne peuvent être calculés que pour l'arrangement géométrique des molécules, à proximité de la frontière. En outre, les fonctions d'onde de ces états sont localisées sur des paires de molécules rapprochées, au-delà de la frontière. Les matériaux organiques représentent une alternative économique pour les cellules solaires, les transistors à effet de champ, les LED et même les batteries lithium-polymère en automobile. Les résultats d'ELECTROMAT sur le transport des charges dans de tels matériaux devraient avoir un impact socioéconomique majeur.
Mots‑clés
Transport de charge, polymères organiques, cristaux organiques, polaron, limites de grain
