Des polarons dans les transistors organiques

Les transistors organiques à effet de champ (OFETs) connaissent un essor considérable pour leurs applications potentielles dans l’électronique de demain. Ces dispositifs utilisent comme éléments actifs des semiconducteurs « plastiques », c’est-à-dire à base de carbone et d’hydrogène. Parmi les avantages par rapport aux transistors classiques à base de silicium, cette nouvelle génération de composants allierait la flexibilité, la légèreté, la transparence et (un jour peut-être ?) le prix de revient.

Avant de pouvoir intégrer ces composants dans des applications commerciales, beaucoup de chemin reste à faire dans l’amélioration de leurs performances. Pour cela, d’énormes pas en avant ont pu être faits en optimisant les procédés de synthèse, réduisant ainsi drastiquement les taux d’impuretés présents dans ces dispositifs. Aujourd’hui, une compréhension plus fondamentale des mécanismes microscopiques qui régissent le transport des électrons dans les matériaux organiques s’avère nécessaire. Des études systématiques des propriétés de transport dans des transistors organiques à base de rubrène ont été réalisées par l’équipe de A. F. Morpurgo, à l’Institut de Nanosciences de l’Université Technique de Delft, aux Pays Bas. Afin d’en augmenter la capacité, donc la densité maximale de porteurs de charge, ils ont utilisé des semiconducteurs de grille ayant des constantes diélectriques de plus en plus élevées (voir figure 1a). Nous nous sommes aperçus que la conduction des électrons, au lieu d’augmenter de manière proportionnelle au nombre de porteurs de charge, avait tendance à saturer, voire à diminuer. Des mesures en fonction de la température on montré que ce phénomène s’accompagne d’une transition vers un régime où la mobilité des porteurs devient thermiquement activée : pour se frayer un chemin entre les deux électrodes, les électrons doivent sauter d’une molecule à l’autre en franchissant à chaque fois une barrière d’énergie finie.
Image de polarons dans un transistor organique
Fig. 1 : a) schéma d’un transistor à effet de champ ; b) à l’équilibre, les ions du semiconducteur de grille sont dans une configuration désordonnée ; c) au passage d’un courant, les ions se polarisent et piègent les électrons, donnant lieu à des polarons. Figure d’après la deuxième réference.

L’origine microscopique de ce phénomène est à rechercher dans l’interaction des porteurs de charge avec les ions qui constituent le matériau diélectrique de grille. Les effets combinés de cette interaction « électron-phonon » et des faibles largeurs de bande observées dans les cristaux moléculaires (de l’ordre de 0.5 eV) donnent lieu à la formation de nouvelles quasi-particules, les polarons(voir figure 1b et 1c). Ces objets piègent les fonctions d’onde électroniques sur les molécules individuelles, et donnent lieu à un mouvement « par sauts », ce qui explique les barrières d’énergie mesurées expérimentalement. De nouvelles études sont en cours pour analyser les effets des interactions Coulombiennes entre les électrons. Celles-ci seraient à l’origine de comportements mystérieux observés pour de très grandes tensions de grille...

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