Relation structure/ Propriétés multi-échelle dans les polymères à conduction mixte (ionique/ électronique). Vers une nouvelle génération de dispositifs de bioélectronique organique – MASTERMIND

MASTERMIND est un projet de recherche collaboratif (PRC) exploratoire (TRL 1-3) visant : i) à établir des relations structure-propriété dans des nouvelles générations de polymères à conduction mixte ionique/électronique (OMIECs) et ii) à optimiser leur transduction électrochimique (ion-électron) en confrontant résultats expérimentaux et théoriques issus de transistors organiques électrochimiques (OECTs) utilisés pour valider les stratégies de rupture mise en place. Les approches et la méthodologie scientifique déployées ambitionnent d’atteindre un produit µOECT.C* (figure de mérite (FoM) des OECTs) supérieur à 1000 F/cm/V/s.

Disponible commercialement, le matériau composite PEDOT:PSS est à ce jour l’archétype des couches actives pour les OECTs. D’accès aisé, cette famille d’OMIEC n’autorise cependant pas un ajustement à façon de l’organisation structurale sur le continuum multi-échelles (nano->micro/macroscopique) requis pour améliorer les performances des OECTs. Pour lever ce verrou, une stratégie gagnante menée par quelques groupes de recherche émerge depuis 5 ans: Développer l’ingénierie et la synthèse d’OMIECs 2.0 consistant en des architectures en peigne où le squelette pi-conjugué assurant la conduction électronique (e-/h+) est décoré par des chaines pendantes (e.g. de type oligo(ether)s) assurant la conduction ionique. Les premiers succès obtenus à ce jour peuvent se rationaliser par une meilleure maitrise des processus de nano/micro-ségrégation de phase (électronique/ionique) au sein des OMIECs qui se matérialise par des performances accrues en configuration OECTs. S’inscrivant dans ce changement de paradigme, MASTERMIND vise à amplifier cette démarche générique via des OMIECs optimisant la taille respective des domaines ioniques et électroniques et augmentant les mobilités via le dopage électronique du squelette pi-conjugué et ionique des groupements pendants. Une double originalité caractérise ainsi le programme scientifique de MASTERMIND: i) l’ingénierie et la synthèse d’OMIECs à squelette pi-conjugué (type p et n) possédant des chaines pendantes ou linéaires de type oligo(carbonate)s dont les mobilités électroniques et ioniques seront ajustées par dopage électronique (dopants de type p et n) et ionique (sels de lithium) et ii) la maitrise de la structuration multi-échelle des domaines électroniques et ioniques par la combinaison d’approches montante (i.e. auto-organisation par nano-ségrégation de phase (apolaire/polaire) en morphologies 1D et 2D: échelle nanométrique-> mésoscopique) et descendante (i.e. par lithographie par nano/micro-impression: échelle macro/microscopique->mésoscopique). La confrontation des résultats expérimentaux obtenus en configuration OECT sur des OMIECS à organisation structurale et mobilité de porteur de charge optimisées avec la modélisation physique de leur comportement agira comme une boucle de rétroaction permettant de faire émerger des OMIECs de substitution au PEDOT:PSS.

Le consortium de laboratoires, réuni pour la première fois, combine les expertises complémentaires de 3 partenaires internationalement reconnus dans le domaine de la (bio)électronique organique qui s’inscrit pleinement dans les thématiques soutenues par le comité scientifique CE0S6. MASTERMIND pourra ainsi s’appuyer sur la chaine de valeur "Chimie-Matériaux-Dispositifs-Modélisation" ad hoc assurant le continuum de compétences requis pour atteindre ses objectifs. En bénéficiant d’une aide financière ANR d’environ 472.2 k€, ce projet impliquera 69.5 p.m. de chercheurs permanents et 96 p.m de contractuels, équivalent à 3.94 chercheurs à temps plein sur 42 mois. Les retombées scientifiques de MASTERMIND seront mises à profit (brevets, publications) pour assurer un transfert technologique (start-up) vers des innovations de rupture pour un meilleur interfaçage des mondes du vivant et de l’électronique.