Un coup de pouce pour tirer pleinement parti des polymères organiques conducteurs et surfer sur la vague optoélectronique
Les polymères organiques conducteurs (COP) présentent de nombreuses propriétés utiles des polymères organiques tout en possédant une conductivité électrique à l’instar des semi-conducteurs, ce qui les rend bien adaptés à un large éventail d’applications optoélectroniques. Avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie, le projet Tuning COPs a pour objectif d’améliorer le potentiel de ces matériaux en proposant des moyens d’ajuster leurs propriétés conductrices et optiques.
Tirer profit d’un paradoxe unique
Les électrons et les photons sont interdépendants. L’absorption de lumière (photons) peut exciter les électrons et les faire passer à des niveaux d’énergie plus élevés. Lors de la relaxation, quand les électrons reviennent à des niveaux d’énergie plus faibles, des photons sont souvent émis. Ce processus est généralement bien défini par les configurations électroniques des matériaux ou des molécules et de leurs atomes. Le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT), est un COP ayant été étudié sous toutes les coutures. Alors que la plupart des conducteurs sont opaques, précisément parce que les électrons libres qui leur confèrent une bonne conductivité favorisent également l’absorption des photons, le PEDOT est un conducteur transparent. Sous ses formes commerciales, notamment celles dopées au polystyrène sulfonate polymère (PEDOT:PSS), le PEDOT peut offrir à la fois photoluminescence et conductivité électrique, ce qui le rend utile dans des applications comme les écrans, les films antistatiques, le photovoltaïque, les câblages imprimés et les capteurs. Une façon de modifier ces propriétés consiste à ajouter (réduction) ou enlever (oxydation) des électrons. Clara Viñas i Teixidor, professeure à l’Institut des sciences des matériaux de Barcelone et responsable du projet, explique: «La photoluminescence et la conductivité électrique des matériaux à base de PEDOT dépendent uniquement de la méthode physique de dépôt et il n’est pas possible de les ajuster. Nous avons cherché à exploiter l’application d’un potentiel redox afin d’ajuster à la fois le polymère et l’agent dopant.»
Explorer toutes les pistes
Les recherches de Clara Viñas i Teixidor ont donné des résultats impressionnants. Elle a présenté un moyen simple et efficace de procéder au réglage en se concentrant sur les cations associés aux anions dopants, qui déterminent les stœchiométries des COP qui, à leur tour, jouent sur les propriétés électrochimiques. Ce résultat a été mis à l’honneur sur la couverture de la revue «Chemistry – A European Journal». En se penchant sur l’usage des métallacarboranes comme anions dopants ajustables, Clara Viñas i Teixidor a également découvert par hasard leur propriété catalytique photoredox et leur capacité thermoélectrique apparente. Des études expérimentales et informatiques sur les métallacarbures ont donné lieu à des publications concernant la photoluminescence dans des métallacarboranes bivalents et trivalents.
Ouvrir la voie à de futures applications
«Il a été fascinant de constater qu’après tant d’années de recherche sur les COP, quelque chose d’aussi anodin que le cation associé – généralement considéré comme insignifiant, ou avec un état d’oxydation clair et prévisible – était capable de modifier la stœchiométrie du polymère conducteur et d’altérer ses propriétés physico-chimiques», explique Clara Viñas i Teixidor. Il est important de noter que cette capacité d’ajustement des propriétés de photoluminescence et de conductivité n’est pas possible dans ces mêmes polymères avec d’autres anions dopants, et qu’elle devrait faire progresser des applications telles que les diodes électroluminescentes, les matériaux électroluminescents et les cellules solaires organiques, pour n’en citer que quelques-unes. L’exploitation des propriétés thermoélectriques potentielles de ces matériaux pourrait également inciter à les utiliser dans des dispositifs de récupération de la chaleur. Clara Viñas i Teixidor conclut: «Les prochaines étapes consistent à trouver des moyens de produire ces mêmes matériaux afin qu’il soit possible de les traiter. Cela a été – et est encore – le maillon faible en ce qui concerne le développement durable de ces matériaux extrêmement attrayants. Surmonter cet obstacle ouvrira la porte à de formidables possibilités de commercialisation.» Établir des collaborations avec des partenaires industriels pourrait assurer un avenir brillant au leadership européen dans le domaine des COP ajustables, pour de nombreuses applications de pointe.
Mots‑clés
Tuning COPs, photoluminescence, conductivité, polymères organiques conducteurs (COP), électrons, poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT), photons, dopage, anions, métallacarboranes, photoredox, thermoélectrique
