Flexion de la puissance d'un polymère conducteur

"Les semi-conducteurs organiques offrent plusieurs avantages distincts par rapport aux dispositifs semi-conducteurs classiques à base de silicium : ils sont fabriqués à partir d'éléments disponibles en abondance, tels que le carbone, l'hydrogène et l'azote ; ils offrent une flexibilité mécanique et un faible coût de fabrication ; et ils peuvent être fabriqués facilement à grande échelle", note Yon Visell, professeur d'ingénierie à l'UC Santa Barbara, qui fait partie d'un groupe de chercheurs travaillant sur ces nouveaux matériaux. "Ce qui est peut-être plus important encore, c'est que les polymères eux-mêmes peuvent être fabriqués à l'aide d'une grande variété de méthodes chimiques pour doter les dispositifs semi-conducteurs résultants de propriétés optiques et électriques intéressantes. Ces propriétés peuvent être conçues, réglées ou sélectionnées de bien plus de façons que les transistors inorganiques (par exemple, à base de silicium)".

La souplesse de conception décrite par M. Visell est illustrée par la reconfigurabilité des dispositifs rapportée par les chercheurs de l'UCSB et d'autres dans la revue Advanced Materials.

Les circuits logiques reconfigurables présentent un intérêt particulier en tant que candidats à l'électronique post-CMOS, car ils permettent de simplifier la conception des circuits tout en augmentant l'efficacité énergétique. Une catégorie de transistors à base de carbone (par opposition aux transistors à base de silicium ou de nitrure de gallium, par exemple), récemment développée, appelée transistors électrochimiques organiques (OECT), s'est avérée bien adaptée à l'électronique reconfigurable.

Dans ce récent article, le professeur de chimie Thuc-Quyen Nguyen, , qui dirige le Center for Polymers and Organic Solids de l'UCSB, et ses co-auteurs, dont Visell, décrivent un matériau révolutionnaire - un polymère souple et semi-conducteur à base de carbone - qui peut offrir des avantages uniques par rapport aux semi-conducteurs inorganiques que l'on trouve actuellement dans les transistors au silicium classiques.

"Les dispositifs logiques organiques reconfigurables sont des candidats prometteurs pour les prochaines générations de systèmes informatiques efficaces et d'électronique adaptative", écrivent les chercheurs. "Idéalement, ces dispositifs seraient de structure et de conception simples, [ainsi que] peu gourmands en énergie et compatibles avec les techniques de microfabrication à haut débit."

Conjuguer pour la conductivité

Un polyélectrolyte conjugué, ou CPE-K, se compose d'un squelette central conjugué, avec des liaisons simples et doubles alternées, et de multiples chaînes latérales chargées avec des ions attachés. "Le fait d'avoir des liaisons conjuguées dans tout le polymère le rend conducteur, car les électrons délocalisés ont une grande mobilité sur toute la longueur du polymère", explique l'auteur principal, Tung Nguyen-Dang, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de M. Nguyen, qui est co-dirigé par M. Visell. "Vous mariez deux matériaux classiques, le polymère et le semi-conducteur, dans cette conception moléculaire."

L'intelligence artificielle (IA) a joué un rôle dans le développement du matériau. "Vous pouvez procéder par essais et erreurs pour fabriquer un matériau", explique Nguyen. "Vous pouvez en fabriquer tout un tas et espérer le meilleur, et peut-être qu'un sur vingt fonctionne ou présente des propriétés intéressantes ; cependant, nous avons travaillé avec un professeur de l'État de Californie à Northridge, Gang Lu, qui a utilisé l'IA pour sélectionner des blocs de construction et effectuer des calculs afin d'avoir une idée approximative de la manière de procéder, compte tenu du niveau d'énergie et des propriétés que nous visions."

La reconfigurabilité en question

L'un des principaux avantages de la CPE-K est qu'elle permet d'utiliser des portes logiques reconfigurables ("dual-mode"), c'est-à-dire qu'elles peuvent être commutées à la volée pour fonctionner en mode d'épuisement ou en mode d'accumulation, simplement en ajustant la tension sur la porte. En mode de déplétion, le courant circulant dans la matière active entre le drain et la source est initialement élevé, avant l'application de toute tension de grille (c'est-à-dire l'état ON). Lorsque la tension de grille est appliquée, le courant chute et le transistor passe à l'état OFF. Le mode d'accumulation est l'inverse - sans tension de grille, le transistor est en position OFF, et l'application d'une tension de grille produit un courant plus élevé, faisant passer le dispositif à l'état ON.

"Les portes logiques électroniques conventionnelles, qui sont les blocs de construction de tous les circuits numériques que l'on trouve dans les ordinateurs ou les téléphones intelligents, sont des matériels qui ne font que le travail pour lequel ils ont été conçus", explique M. Nguyen. "Par exemple, une porte ET a deux entrées et une sortie, et si les entrées qui lui sont appliquées sont toutes égales à 1, la sortie sera égale à 1. De même, une porte NOR possède également deux entrées et une sortie, mais si toutes les entrées qui lui sont appliquées sont égales à 1, la sortie sera égale à 0. Les portes électroniques sont mises en œuvre à l'aide de transistors, et leur reconfiguration (comme le passage d'une porte AND à une porte NOR) nécessite une modification invasive, comme le démontage, qui est généralement trop compliquée pour être pratique.

"Les portes reconfigurables, comme celle que nous montrons, peuvent se comporter comme les deux types de portes logiques, passant de AND à NOR et vice versa en changeant uniquement la tension de la porte", poursuit-elle. "Actuellement, en électronique, la fonctionnalité est définie par la structure, mais dans notre dispositif, vous pouvez modifier le comportement et en faire quelque chose d'autre simplement en changeant la tension qui lui est appliquée. Si nous faisons passer cette invention d'une seule porte à des circuits beaucoup plus complexes constitués de nombreuses portes reconfigurables, nous pouvons envisager un matériel informatique puissant qui peut être programmé avec beaucoup plus de fonctionnalités que les circuits conventionnels comportant le même nombre de transistors."

Autre avantage des OECT à base de CPE-K : ils peuvent fonctionner à très basse tension, ce qui les rend aptes à être utilisés dans l'électronique personnelle. Cette caractéristique, associée à sa flexibilité et à sa biocompatibilité, fait de ce matériau un candidat probable pour les biocapteurs implantés, les dispositifs portables et les systèmes informatiques neuromorphiques dans lesquels les OECT pourraient servir de synapses artificielles ou de mémoires non volatiles.

"Notre collègue fabrique des dispositifs capables de surveiller la baisse du taux de glucose dans le cerveau qui se produit juste avant une crise", explique Nguyen à propos d'un collaborateur de l'université de Cambridge en Angleterre. "Et après la détection, un autre dispositif - un dispositif microfluidique - délivrera localement un médicament pour arrêter le processus avant qu'il ne se produise."

Les dispositifs fabriqués à partir de CPE-K présentent un dopage et un dédopage simultanés en fonction du type d'ions, selon Nguyen. "Vous fabriquez le dispositif et le mettez dans un électrolyte liquide - du chlorure de sodium [c'est-à-dire du sel de table] dissous dans de l'eau", explique-t-elle. "On peut ensuite faire migrer le sodium dans la couche active du CPE-K en appliquant une tension positive à la grille. Vous pouvez également modifier la polarité de la tension de grille et faire migrer le chlorure vers la couche active. Chaque scénario produit un type différent d'injection d'ions, et ce sont ces différents ions qui nous permettent de changer les modes de fonctionnement du dispositif."

L'auto-dopage simplifie également le processus de fabrication en supprimant l'étape supplémentaire d'ajout de dopants. "Bien souvent, lorsque vous ajoutez un dopant, il n'est pas réparti uniformément dans tout le volume du matériau", explique M. Nguyen. "Les matériaux de dopage organiques ont tendance à se regrouper au lieu de se disperser. Mais comme notre matériau ne nécessite pas cette étape, vous ne rencontrez pas le problème de la distribution inégale du dopant. Vous évitez également tout le processus d'optimisation du dopant et de détermination du bon mélange et des bonnes proportions, ce qui ajoute des étapes et complique le traitement."

L'équipe a également développé un modèle physique pour le dispositif qui explique son mécanisme de fonctionnement et prédit correctement son comportement dans les deux modes de fonctionnement, démontrant ainsi que le dispositif fait ce qu'il semble faire.

M. Visell conclut : "Cette remarquable nouvelle technologie de transistor illustre parfaitement les surprenantes fonctionnalités électroniques et informatiques rendues possibles par la recherche convergente en chimie, physique, matériaux et génie électrique."