Polymères conjugués et électronique organique

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.