Une avancée prometteuse pour la synthèse des matériaux en électronique

16 mars 2021 | Audrey-Maude Vézina

Mise à jour : 16 mars 2021

De bonnes vibrations moléculaires pourraient augmenter la vitesse des électrons dans les matériaux semi-conducteurs.

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Identifier les meilleurs matériaux pour l’électronique de demain, c’est l’objectif du professeur Emanuele Orgiu de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS). Parmi les matériaux auxquels le professeur Orgiu s’intéresse, certains sont formés de molécules pouvant conduire de l’électricité. C’est à l’aide de cristaux de matériaux de ce type qu’il a démontré le rôle joué par les vibrations moléculaires sur la conductivité des électrons. Cette découverte est importante pour l’application de ces matériaux, dits moléculaires, dans les domaines de l’électronique, de l’énergie et du stockage d’informations. L’étude, réalisée en collaboration avec une équipe de l’INRS et de l’Université de Strasbourg (France), a été publiée dans la prestigieuse revue Advanced Materials.

Les scientifiques ont voulu observer les liens existants entre la structure des matériaux et leur capacité à conduire l’électricité. Pour ce faire, ils ont mesuré la vitesse de propagation des électrons dans des cristaux formés par ces molécules. Ils ont comparé deux dérivés de pérylène-diimide, une molécule semi-conductrice d’intérêt à cause de son utilisation sur des substrats flexibles, comme les vêtements intelligents ou les écrans pliables. Ces deux dérivés sont similaires du point de vue de la structure chimique, mais ont des propriétés de conduction très différentes.

Le groupe de recherche a établi que les différentes vibrations des molécules qui forment le matériau seraient à l’origine de cette différence. Il est le premier à montrer quelles vibrations influencent davantage les courants d’électrons.

« Pour qu’un courant traverse un matériau, les électrons doivent “ sauter ” d’une molécule à l’autre. Selon le degré de mouvement des molécules, déterminé par l’amplitude et l’énergie des vibrations associées, les électrons peuvent se déplacer plus ou moins facilement dans le matériau. »

Professeur Emanuele Orgiu, responsable scientifique du Laboratoire de physique moléculaire et des dispositifs.


Une conception moléculaire pour accélérer les électrons

Cette découverte ouvre la voie au développement de matériaux encore plus performants en électronique. « En sachant quel type de vibrations permet aux charges de se déplacer plus facilement, nous donnons aux chimistes une recette pour synthétiser les bons matériaux, plutôt que d’y aller à l’aveugle », rapporte Marc-Antoine Stoeckel. Cette recherche ouvre ainsi la porte à de nouvelles applications qu’on ne pouvait envisager avec le silicium, le matériau le plus utilisé en électronique, entre autres dans les ordinateurs.

Pour mesurer les vibrations des molécules, le professeur Orgiu a collaboré avec le professeur Luca Razzari de l’INRS. Les deux chercheurs travaillent maintenant sur une nouvelle technique spectroscopique qui leur permettrait de visualiser les vibrations en présence d’électrons. Ils pourront ainsi voir si les charges modifient les vibrations moléculaires.

Le professeur Orgiu a entamé cette recherche alors qu’il était professeur à l’Université de Strasbourg. Il a codirigé la thèse de Marc‐Antoine Stoeckel, alors doctorant à l’Université de Strasbourg et premier auteur de l’étude, avec le professeur Paolo Samorì.

À propos de l’étude

L’article « Analysis of External and Internal Disorder to Understand Band‐Like Transport in n‐Type Organic Semiconductors », rédigé par Marc‐Antoine Stoeckel, Xin Jin, Young‐Gyun Jeong, Luca Razzari, Paolo Samorì et Emanuele Orgiu, entre autres, a été publié dans la revue Advanced Materials. L’étude a reçu un soutien financier de plusieurs organismes, dont le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et le Fonds de Recherche du Québec – Nature et technologies (FRQNT).