Polymères conjugués à chaînes latérales tri-segmentées pour le contrôle fin des performances de l'électronique organique dopée – TriPODE

Le projet TriPODE vise à réaliser une percée dans le domaine des systèmes polymères dopés grâce à une stratégie d'ingénierie des chaînes latérales des polymères semi-conducteurs conjugués afin d'affiner les performances de l'électronique organique dopée. Deux applications sont visées en particulier : les dispositifs de thermoélectricité (TE) pour convertir les pertes thermiques en électricité utile, et les transistors électrochimiques (OECT) qui sont au cœur des dispositifs bioélectroniques de la prochaine génération.

Le consortium qui pilote TriPODE rassemble des membres des laboratoires IPCMS, ICPEES et ICS, tous situés sur le même campus strasbourgeois. Dans ce projet, ils combinent de manière unique leur expertise en synthèse organique, contrôle de l'alignement des polymères, caractérisation morphologique des films minces, étude mécanistique fondamentale du dopage de ces systèmes organiques, non seulement dans les films mais aussi dans les dispositifs TE et OECTs in operando.

Les approches moléculaires en cours de développement visent à traiter simultanément la plupart des facteurs limitant les performances des dispositifs, à savoir l'efficacité du dopage, la cinétique du dopage et du dopage, la mobilité induite des porteurs de charge, les désordres structurels et énergétiques, les contraintes mécaniques, le réarrangement morphologique du film et la délamination, la stabilité au cours des cycles.

Pour ce faire, TriPODE propose l'utilisation de chaînes latérales tri-segmentées originales basées sur les trois segments suivants : alkyle / éther (polaire) / siloxane. En ajustant la position et la longueur de chaque segment de la chaîne latérale, nous construirons des films minces de polymères mésomorphes multicouches stables avec une localisation et une épaisseur bien définie de chaque sous-couche fonctionnelle. La variation systématique des paramètres moléculaires permettra de rationaliser et d'exploiter l'effet de chaque segment sur les propriétés du polymère. En particulier, les segments siloxanes renforceront la cohésion structurelle du film afin de préserver l'ordre favorable au transport électronique malgré l'insertion de dopants. Parallèlement, les segments polaires sont conçus pour augmenter la quantité de dopant inséré et les confiner à des positions spatiales définies afin d'étudier l'impact des interactions coulombiques sur la mobilité des porteurs et la stabilité du dopage. Les résultats permettront essentiellement i) de comprendre en profondeur les mécanismes de dopage et leur impact sur les propriétés conductrices et ii) de définir une boîte à outils pour le développement de systèmes dopés très performants pour les TE et les OECT qui seront très probablement généralisables à d'autres applications.

Bien que la base de ce projet soit fondamentale, les polymères organiques qui seront synthétisés dans le cadre de TriPODE visent à atteindre les performances suivantes :

Pour le TE, un facteur de mérite ZT avec des valeurs d'environ 0,3 est visé pour les polymères de type p et de type n. Ces valeurs sont à comparer avec celles des meilleurs systèmes obtenus pour les cas particuliers du PEDOT:PSS (type p, ZT = 0,3-0,5) et du fullerène (type n, ZT=0,3). Notons qu'un des objectifs de ce projet est de doter le consortium des moyens techniques pour mesurer la conductivité thermique des couches minces.

Pour l'OECT, un facteur de mérite ??C* avec des valeurs supérieures à 8 000 F cm-1 V-1 s-1 et 80 F cm-1 V-1 s-1 sont visés pour les polymères de type p et de type n, respectivement. Outre ces performances, notre approche de l'ingénierie des chaînes latérales devrait conduire à une amélioration significative de la stabilité des transistors ON/OFF (mesurée sur environ 10 000 cycles). Les valeurs actuelles rapportées dans l'état de l'art sont d'environ 2 000 et 55 F cm-1 V-1 s-1 pour le type p et le type n, respectivement.