L'électronique organique

À l’occasion de ses 10 ans, l’Expérimentarium de chimie de l’ULB a organisé un concours photos sur le thème « La chimie, tout un art ! ». L’objet de ce mois nous en dira donc plus au sujet du cliché lauréat de la médaille d’or de la catégorie 4 (participant âgé de 18 ans ou plus).

À première vue, ce dernier ressemble à un champ ondulant sous l’effet du vent. Ce n’est pourtant absolument pas le cas, car il s’agit en fait de cristaux alignés d’un solide organique, le 2,5-bis(3-dodecylthiophene-2-yl)thiazolo[5,4-d]thiazole, photographiés sous un microscope (la longueur de l’image faisant environ 1 mm en taille réelle). Ce matériau est également un semi-conducteur organique, utilisé dans les thématiques de recherche de Guillaume Schweicher, auteur du cliché. Récemment installé à l’ULB (octobre 2021), le groupe de Guillaume vise à développer de nouveaux matériaux organiques et hybrides organiques-inorganiques pour une électronique plus verte et durable. Mais pourquoi cela est-il nécessaire ?

Le silicium, ce satané pollueur
De nos jours, l’électronique fait partie intégrante de notre quotidien. Son impact sur notre société́ est considérable, transformant à jamais notre économie et notre style de vie. Toutefois, la quantité́ et la vitesse de production des déchets électroniques ont augmenté́ drastiquement au cours des dernières années (53,6 millions de tonnes en 2019, soit une augmentation de 28 % en 5 ans). Nous avons créé́ un problème environnemental mondial, résultat d’une obsolescence programmée, des progrès technologiques et de notre besoin de consommation. L’industrie électronique est majoritairement basée sur le silicium, un semi-conducteur inorganique.

Mais pourquoi est-il si répandu et quels sont ses problèmes ?
 

• Second élément le plus abondant de la croûte terrestre (28 %) après l’oxygène, disponible sous forme d’oxydes tels que le sable, le quartz et l’améthyste

• Industrie solidement établie visant la miniaturisation pour gagner en performances et très frileuse de nouveaux procédés de production

• Coûts énergétiques de production et purification élevés : nécessitent des monocristaux exempts de défauts, avec une pureté de 99.999999999 % requérant des températures > à 1400 °C (fusion)

• Tous les procédés de mise en œuvre mobilisent des machines extrêmement coûteuses et doivent se dérouler dans des environnements filtrés exempts de particules (salles blanches)

• Approche descendante : travail à partir d’un large monocristal (30 cm de diamètre) pour produire des puces de circuits intégrés de quelques millimètres carrés

• Application finale rigide, plane et miniature

L’électronique organique : des molécules à base de carbone pour conduire le courant
Les molécules et macromolécules (polymères ou plastiques) à base de carbone ont toujours été perçues comme des isolants électriques. Toutefois, en 1977, Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid et de Hideki Shirakawa découvrirent que certains polymères pouvaient conduire le courant lorsqu’on y injecte ou que l’on en enlève des charges électriques via un procédé appelé « le dopage ». Cette percée majeure les verra récompensés du Prix Nobel de Chimie en 2000.

Mais comment une molécule à base de carbone peut-elle conduire un courant ?

Tout simplement par la présence d’électrons délocalisés présents dans les doubles liaisons conjuguées au sein de sa structure moléculaire. En effet, les électrons engagés dans une double liaison conjuguée ne sont pas aussi localisés que des électrons intervenant dans une liaison simple, dite covalente, et peuvent entrer en mouvement, après dopage adéquat et application d’un champ électrique, générant un courant électrique.

Dans le cas des petites molécules, le transport de charges ne se fait pas le long de la chaîne carbonée (comme pour les polymères), mais via le recouvrement des électrons délocalisés de molécules voisines dans son arrangement cristallin.


Pourquoi est-ce plus avantageux d’utiliser des molécules à base de carbone ?
 

• Les matériaux sont produits/synthétisés à partir de la chimie du carbone via des réactions nécessitant des températures inférieures à 200 °C.

• Les matériaux sont beaucoup plus simples et moins chers à produire

• Leurs propriétés sont modulables à souhait sur base de leur design moléculaire, par exemple la capacité à transporter des charges positives ou négatives

• Ils sont solubles dans les solvants organiques à température ambiante, ce qui permet de les mettre en œuvre via des techniques d’impression et d’accéder à des échelles de production plus larges (approche ascendante)

• Ils sont flexibles et déformables mécaniquement, ouvrant la possibilité à de nouvelles applications

• Ils sont capables de transporter des ions, en plus des charges électriques, rendant une interface possible avec le monde du vivant.

Applications de l’électronique organique
 

• Transistor organique en film mince : pièce Maîtresse de l’électronique

Ce dispositif, présent dans absolument tous les circuits électroniques, est un interrupteur commandé par une tension électrique qui va laisser ou non passer le courant.
Il peut être utilisé pour allumer les pixels d’un écran ou participer à des calculs via une logique : courant passant équivaut à 1 et courant bloqué équivaut à 0.
 

• Diodes électroluminescentes organiques : écrans/éclairage OLED

Usuellement désignée par son acronyme anglais OLED (Organic Light-Emitting Diode), la diode est un composant électronique qui permet de produire de la lumière.
La technologie OLED est déjà̀ commercialisée et a révolutionné le domaine des écrans plats et de l’éclairage suite à une meilleure qualité́ d’image alliée à une faible épaisseur du produit.
 

• Cellules photovoltaïques organiques : panneaux solaires

La cellule solaire est un composant électronique qui produit de l’électricité́ suite à son exposition à de la lumière. Le rendement de la cellule (en %) indique la performance de conversion de cette dernière.
Suite au progrès scientifique, les cellules organiques présentent des rendements de 14 à 17 % à ce jour. Elles sont toujours inférieures aux cellules à base de silicium (22 à 26 %), mais permettent d’avoir accès à de plus grandes surfaces ainsi qu’à une flexibilité́ non accessibles au silicium.
 

• Vêtements intelligents, interface avec le vivant : futurs possibles

En raison de leurs propriétés, les semi-conducteurs organiques permettront bien d’autres applications dans le futur. Les scientifiques envisagent déjà̀ des vêtements ultra connectés enregistrant en continu l’ensemble de nos signaux vitaux, etc.
Les premières preuves d’interface avec une plante et un neurone ont été démontrées. Cyborgs, feuilles artificielles et autres seront peut-être bientôt plus que de simples représentations issues de la science-fiction...


Guillaume Schweicher & les responsables de l'XC
Illustration Graphique : © Arthur Dubois