RECHERCHE : Une nouvelle méthode de dopage pourrait améliorer le rendement des semi-conducteurs organiques
Les semi-conducteurs organiques sont des matériaux à base de carbone capables de conduire l’électricité. Ils peuvent être utilisés pour fabriquer des appareils électroniques souples, légers et potentiellement peu coûteux. Bien que cette technologie soit prometteuse, des défis subsistent en matière de performance.
La conductivité électrique nécessite un dopage, c’est-à-dire un processus qui consiste à ajouter des charges électriques mobiles au matériau. Les dopants chimiques classiques ont toutefois leurs limites, ce qui restreint le nombre de charges qu’ils peuvent créer.
Dans une récente étude parue dans la revue Nature Materials, des chercheuses et chercheurs de l’Université Concordia, de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS) et de l’Université York proposent un moyen de contourner ces limites. Leurs travaux montrent qu’en laissant un dopant chimique se décomposer après avoir transféré un électron, il est possible de prolonger le processus de dopage, ce qui permet d’obtenir des concentrations de charges électriques bien plus élevées.
Les chercheurs appellent ce processus « dopage assisté par dégradation ». Pour comprendre son fonctionnement, ils ont combiné des simulations informatiques à des expériences en laboratoire faisant appel au semi-conducteur organique P3HT et à un composé chimique appelé tris(pentafluorophényl)borane, ou BCF. Ils ont eu recours à plusieurs techniques, notamment la résonance magnétique nucléaire, la spectroscopie optique, la résonance paramagnétique électronique et la calorimétrie, afin de suivre ce qui se passait après le transfert d’un électron du BCF vers le P3HT. Une modélisation informatique a permis d’étudier les réactions chimiques en jeu.
Les résultats ont montré que le BCF se décompose après avoir accepté un électron, éliminant ainsi ses produits de réaction du processus et permettant le transfert d’électrons supplémentaires. L’équipe de recherche a découvert que cette nouvelle méthode permettait de créer jusqu’à 100 fois plus de charges électriques mobiles dans le semi-conducteur que le dopage classique, ce qui pourrait rendre le matériau bien plus conducteur. Le BCF a également permis d’obtenir une conductivité plus élevée dans le P3HT que d’autres dopants couramment utilisés.
Les auteurs estiment que ces résultats font de la technologie de dopage assisté par dégradation une nouvelle stratégie qui permet d’améliorer le rendement des semi-conducteurs organiques, et pourraient aider les chercheurs à concevoir des matériaux plus performants pour l’électronique flexible, les dispositifs optoélectroniques et les technologies thermoélectriques.
L’étude a été menée conjointement par Melissa Berteau-Rainville (Ph. D. 2026, énergie et sciences des matériaux) de l’INRS, et Ingo Salzmann, professeur agrégé aux départements de physique et de chimie et biochimie de l’Université Concordia. Berteau-Rainville a mené ses recherches doctorales sous la codirection du Pr Salzmann et d’Emanuele Orgiu, professeur à l’INRS. Les travaux ont également bénéficié de collaborations essentielles avec des chercheurs de l’Université York (Thomas Baumgartner, professeur; Christopher Caputo, professeur adjoint, et Taylor Cosby) et de l’INRS.
La recherche a reçu l’appui du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, du Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies, de l’Université Concordia et du Programme des chaires de recherche du Canada. Un soutien supplémentaire a été apporté par Calcul Québec et l’Alliance de recherche numérique du Canada.
Lisez l’article : « Degradation-assisted doping of organic semiconductors enabled by Lewis acids ».