Une approche générique vers de nouvelles générations de semi-conducteurs organiques pour l’électronique – GATE

La découverte et le développement de nouveaux matériaux multifonctionnels constituent un enjeu stratégique et prioritaire du développement de la science et la technologie du 21ème siècle. Les semi-conducteurs organiques (SCOs) sont considérés comme des matériaux potentiellement innovants pour le secteur industriel des technologies de l’information et de la communication (TICs). En allant du système d'identification par radiofréquence (RFID) aux écrans OLED, les SCOs, sont attractifs et considérés comme nouveaux matériaux à forts potentiels d’innovation. Grace à leur excellente performance, une forte mobilité de charge, une bonne stabilité thermique, une compatibilité avec des substrats flexibles, un faible coût de fabrication, et une intégration facile associée à des fonctionnalités chimiques, ces matériaux sont particulièrement adaptés aux contraintes de l'électronique imprimée et flexible. Cependant leur développement à grande échelle est freiné par leur faible mobilité de charge et une stabilité chimique modérée. Pour faire émerger de nouvelles générations de SCOs multifonctionnels, il est crucial de développer de nouveaux concepts, porteurs de potentielles ruptures scientifiques et technologiques, en les couplant à des approches rationnelles pour la conception et la synthèse de nouveaux synthons moléculaires pour l’élaboration d’une nouvelle génération de matériaux semi-conducteurs, et une compréhension plus approfondie de la relation structure-propriété. Ce projet propose une approche innovante de la conception rationalisée de nouveaux matériaux SCOs. Les matériaux ciblés sont basés sur des structures aromatiques polycycliques condensés contenant des sous-unités anti-aromatiques. L’incorporation d’unités anti-aromatiques dans des architectures pi-conjuguées condensées est une approche relativement inexplorée à ce jour. Bien que le concept d'aromaticité/anti-aromaticité ait été développé pour les hydrocarbures, il reste cependant très peu exploré pour concevoir des matériaux organiques performants. L'aromaticité se traduit par une forte énergie de résonance et une stabilité chimique élevée. Ainsi, le premier objectif de GATE est de générer une nouvelle librairie de SCOs moléculaires basés sur des systèmes pi-conjugué incorporant des sous-unités anti-aromatiques avec des niveaux d'énergie ad hoc et appropriés pour l’injection de charge, et des facultés renforcées d’empilement pi-pi pour augmenter la mobilité des porteurs de charges. Le deuxième objectif est la mise en œuvre par voie humide ces nouveaux matériaux dans des architectures type transistors organiques à effet de champ (OFETs) et cellule photovoltaïque hybride avec l’objectif de mettre en évidence la grande liberté de mise en œuvre de ces matériaux et leur potentiel pour l’électronique imprimée. Les matériaux les plus perforant en termes de mobilité de charge seront testés dans dispositifs photovoltaïques (PV) hybrides. GATE bénéficiera d’une boucle de rétroaction intégrée liant efficacement l’ingénierie moléculaire, la fabrication de dispositifs OFETs et PV, et leurs caractérisations avancées. Dans son ensemble, ce projet donnera un aperçu transformatif de la conception rationnelle des SCOs, de la mise en œuvre de ces matériaux fonctionnels et de la fabrication de dispositif PV et OFETs pour déterminer le potentiel de rendement de conversion énergétique des cellules solaires hybrides (organique/inorganique: e.g. pérovskite).