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Article

1 - ÉVOLUTION DE LA RECHERCHE

2 - PHYSIQUE DES POLYMÈRES CONJUGUÉS ET COMPOSANTS

3 - CHIMIE DES POLYMÈRES CONJUGUÉS

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

6 - SIGLES

Article de référence | Réf : E1862 v2

Conclusion
Polymères conjugués et électronique organique

Auteur(s) : André-Jean ATTIAS

Relu et validé le 02 oct. 2023

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NOTE DE L'ÉDITEUR

Cet article est la réédition actualisée de l’article E1862 intitulé « Polymères conjugués et polymères conducteurs électroniques » paru en 2002, rédigé par André-Jean ATTIAS.

17/05/2017

RÉSUMÉ

La découverte en 1977 des polymères conducteurs électroniques par dopage de polymères conjugués a ouvert un nouveau champ disciplinaire, l’électronique organique. Dans cet article, après une présentation de l’évolution des centres d’intérêts et des orientations de la recherche dans le domaine des polymères conjugués depuis cette date, sont introduites et expliquées les propriétés semi-conductrices de ces matériaux pour appréhender les principes de fonctionnement de composants (diodes électroluminescentes ou cellules photovoltaïques organiques). Enfin, les tendances en termes de synthèse sont présentées et les nouvelles approches dans le domaine de l’ingénierie des matériaux conjugués sont dégagées.

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ABSTRACT

Conjugated polymers and organic electronics

The discovery in 1977 of conducting polymers obtained by the doping of conjugated polymers opened up a new disciplinary field, organic electronics. In this article, we first report on how emphasis and research orientations in the field of conjugated polymers have evolved. Second, the semiconducting properties of these materials are introduced and explained in order to understand the operation of devices such as organic light-emitting diodes or organic solar cells. Finally, the trends in their chemistry are presented together with new approaches to the engineering of the conjugated materials.

Auteur(s)

  • André-Jean ATTIAS : Professeur - Institut Parisien de Chimie Moléculaire, Sorbonne Universités – Université Pierre et Marie Curie, CNRS UMR 8232, Paris, France

INTRODUCTION

Les matières plastiques, à la différence des métaux, sont réputées ne pas conduire le courant. De fait, elles sont utilisées pour isoler les fils de cuivre des câbles électriques ordinaires.

Vers la fin des années 1970, A.J. Heeger, A.G. MacDiarmid et H. Shirakawa, lauréats du prix Nobel de Chimie de l’année 2000, ont montré qu’après certaines modifications, un plastique peut devenir conducteur de l’électricité, c’est-à-dire « métal synthétique ». Pour ce faire, le polymère doit être conjugué. Pour cela la chaîne principale du polymère doit comporter alternativement des liaisons simples et multiples ; de plus, il doit être « dopé », ce qui consiste à enlever des électrons (par oxydation) ou à en ajouter (par réduction). Ces manques d’électrons (appelés habituellement "trous") ou ces électrons supplémentaires constituent des porteurs de charge qui peuvent se déplacer le long de la chaîne polymère qui devient ainsi conductrice d’électricité.

À la suite des travaux pionniers sur le polyacétylène (1977), les recherches ont porté sur le développement de nouvelles familles de polymères conducteurs électroniques stables à l’air, avec pour objectif l’accroissement de la conductivité de ces matériaux, obtenus sous forme de films ou poudres noirs et insolubles essentiellement. Les recherches se sont focalisées :

  • d’une part, sur l’ingénierie et la synthèse de ces polymères de façon à en contrôler les propriétés électriques, optiques, et la mise en œuvre ;

  • d’autre part, sur la compréhension des mécanismes de transport dans les polymères conjugués au sens large.

Parmi ces polymères conducteurs, seuls ceux issus de la famille du poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT) trouvent à ce jour des applications en électronique organique soit comme couche pour l’injection de trous au sein de composants, soit comme couche active pour l’électrochromisme organique.

À partir de 1990, de nouveaux domaines d’applications sont apparus, comme la possibilité d’utiliser les oligomères ou polymères conjugués dans leur état non dopé (semi-conducteur) comme couche active au sein de composants pour l’électronique organique : diodes électroluminescentes organiques (acronymes OLED ou PLED en anglais pour organic light emitting diode ou polymer light emitting diode, respectivement), transistors organiques à effet de champ (acronymes OFET ou PFET en anglais pour organic field effect transistor ou polymer field effect transistor, respectivement), cellules photovoltaïques organiques, ou encore lasers organiques pompés électriquement.

A.J. Heeger, A.G. MacDiarmid et H. Shirakawa ont fait des polymères conjugués et des matériaux organiques conjugués de façon plus générale (petites molécules et polymères) un champ de recherche majeur pour les chimistes comme pour les physiciens et les technologues. Ces matériaux sont à l’origine d’une activité scientifique intense, aussi bien au niveau fondamental qu’au niveau des applications. Les matériaux conjugués sont à ce jour présents dans notre environnement quotidien comme couche active au sein des dispositifs d’affichage (écrans de téléphone portable, de tablette, de télévision) et d’éclairage utilisant la technologie OLED.

Cet article présente tout d'abord l’évolution des centres d’intérêts et les orientations de la recherche dans le domaine des polymères conjugués au cours de ces dernières années au travers d’un bref historique.

Puis, dans un premier volet consacré à une approche des phénomènes physiques mis en jeu, le rôle des électrons π dans les systèmes conjugués est rappelé. La description des états d’énergie des polymères conjugués, en termes de structure de bandes qui en résulte, permet de les classer comme des semi-conducteurs organiques : ceci signifie qu’il est possible d’y générer des espèces chargées (par dopage, injection de charges, photo-excitation). Ces porteurs de charges, les mécanismes de conduction à l’origine des propriétés de transport de ces entités dans les polymères conjugués, et les applications en fonction du mode de génération des charges sont présentés.

Enfin, dans un second volet consacré à la chimie de ces matériaux, les grandes tendances en termes de synthèse (méthodes, choix des monomères) sont décrites et les nouvelles approches dans le domaine de l’ingénierie des matériaux conjugués sont dégagées.

Cet article constitue un complément et une actualisation de l’article Polymères conducteurs [E 1 860] du même traité.

Un glossaire et un tableau des sigles utilisés sont présentés en fin d'article.

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KEYWORDS

organic semiconductors   |   conjugated polymers   |   polymer synthesis   |   organic electronics

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e1862


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4. Conclusion

En raison de leurs propriétés semi-conductrices et optiques, de la flexibilité en termes d’ingénierie moléculaire, du développement de voies de synthèse efficaces, et de leur mise en œuvre aisée à bas coût, les polymères conjugués et plus généralement les matériaux conjugués ont ouvert le champ de l’électronique organique. Ces matériaux rendent possible la fabrication, tant sur substrat rigide que souple, de composants électroniques (par exemple diodes électroluminescentes organiques, transistors, cellules photovoltaïques ou capteurs).

Du point de vue industriel, le domaine de l’affichage et de l’éclairage est à présent mature. Les matériaux de base pour réaliser les couches injectrices de trous et d’électrons, transporteuses de trous et d’électrons, émettrices etc., sont produits par les groupes de chimie tels Solvay (Belgique), Merck (Allemagne), Sumitomo Chemicals (Japon) ou en partenariat avec ces sociétés. Pour exemple, Merck développe la gamme Livilux®. Plus en aval, des sociétés se sont spécialisées dans le développement de composants comme Universal Display Corporation (UDC) (USA) ou NOVALED GmbH (Allemagne). Les consommateurs actuellement peuvent utiliser des matérials incorporant ces composants. Pour exemple, les groupes sud coréens tels Samsung Display et LG Display commercialisent à présents des écrans (tablettes et télévisions) utilisant la technologie AMOLED (Active-Matrix Organic Light-Emitting Diode qui signifie diode électroluminescente organique à matrice active), ainsi que des dispositifs d’éclairage dans le cas de LG Display.

Concernant le marché de l’électronique organique flexible, Polyera (États-Unis) a développé une technologie de production de transistors souples par impression pour des applications comme le e-papier et les OLEDs. De même, Plastic Logic (Royaume-Uni), leader reconnu dans le domaine des transistors organiques (OTFT) imprimés sur substrats souples, est au premier rang pour le développement et l’industrialisation de l'électronique plastique.

Enfin, dans le domaine du photovoltaïque organique, actuellement en émergence, les acteurs se trouvent tant dans le domaine du développement de matériaux (polymères semi-conducteurs, dérivés du fullerène, matériaux pour les couches de transport) comme Merck avec la gamme Lisicon®, que dans la production de films minces comme HeliaFilm® par la société Heliatek (Allemagne).

Dans ce contexte...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SHIRAKAWA (H.), LOUIS (E.J.), MACDIARMID (A.G.), CHIANG (C.K.), HEEGER (A.J.) -   *  -  . – J. Chem. Soc., Chem. Commun. – 578 (1977).

  • (2) - CHIANG (C.K.), FINCHER (C.R.), PARK (Y.W.), HEEGER (A.J.), SHIRAKAWA (H.), LOUIS (E.J.), GUA (S.C.), MACDIARMID (A.G.) -   *  -  . – Phy. Rev. Lett. – 39, 1098 (1977).

  • (3) - SKOTHEIM (T.A.), REYNOLDS (J.R.) (eds.) -   Handbook of Conducting Polymers.  -  Third Edition. – CRC Press (2007).

  • (4) - HADZHOANNOU (G.), MALIARAS (G.G.) (eds.) -   Semiconducting Polymers.  -  Second Edition – Wiley (2006).

  • (5) - BREDAS (J.L.), STREET (G.B.) -   *  -  . – Acc. Chem. Res –, 18, 309 (1988).

  • (6) -   *  -  http://www.usinenouvelle.com/article/l-annee-technologique-1997technologies-des-materiauxles-polymeres-conducteurs-trouvent-des-applications-dans-les-couches-mincesc-est-sous-forme-de-revetements-antistatiques-anti-electromagnetiques-ant....

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