2. Thématiques scientifiques

Le GDR OERA rassemble 5 thématiques scientifiques dans lesquelles les propriétés optoélectroniques, ioniques, ou électro-mécaniques des matériaux organiques en couche mince sont explorées :

• Etude et modélisation des propriétés fondamentales des matériaux organiques semi-conducteurs et conducteurs

• Photovoltaïque et photo-détecteur organique

• Eclairage et LASER organique

• Bioélectronique & Biocapteur & BIO-MEMs

• Electroniques extensibles & textiles intelligents

Une sixième thématique s’appuyant sur des considérations socio-économiques sera mise en place et visera une animation atour de la commercialisation des matériaux et dispositifs OERAs.

Etude et modélisation des propriétés fondamentales des matériaux organiques semi-conducteurs et conducteurs.

les efforts de recherche dans les matériaux (semi-)conducteur organiques se concentrent de plus en plus sur des propriétés physiques, et notamment de transport. Ces efforts conduisent à une nouvelle génération de dispositifs d’électronique organique, basée sur le transport de charges polarisées en spin, la magnétorésistance, le transport ionique et la thermoélectricité. Chaque application fait appel à des propriétés spécifiques au niveau de la structure chimique du matériau organique faisant apparaître des propriétés innovantes au-delà de leur capacité de transport de charge. Ce domaine de recherche est encore jeune, mais il existe déjà un certain nombre de résultats significatifs de recherche qui permettent d’identifier les mécanismes à l’œuvre dans ces matériaux et leurs dispositifs. Néanmoins, le socle de connaissances reste à approfondir afin que la compréhension physique des dispositifs et des matériaux associés puisse orienter les efforts de synthèse et les développements technologiques supplémentaires requis vers l'amélioration et l’émergence de dispositifs aux performances améliorées.

Photovoltaïque et photo-détecteur organique

Le développement des cellules photovoltaïques organiques (OPV: Organic PhotoVoltaics) vise la réduction du coût de l'électricité photovoltaïque (qui reste la principale barrière pour la technologie PV) par leurs faibles coûts de production liés à des procédés de mise en œuvre peu onéreux comme l’impression d’encres. Ces dispositifs organiques promettent aussi de changer notre vision des panneaux photovoltaïques classiques car ils sont très fins, flexibles, colorés tout en étant résistants aux chocs du fait de leurs propriétés mécaniques proches des matériaux plastiques de commodité. Aujourd’hui, la société française ARMOR a démarré la production de panneaux solaires organiques, démontrant ainsi le réel potentiel de cette technologie pour de nouveaux marchés. Si on compare le rendement de conversion des cellules solaires organiques à d’autres technologies alternatives aux panneaux à base de silicium, on constate que les meilleures technologies OPV se situent autour de 10 à 13%, ce qui les place au même niveau par exemple que les cellules solaires à base de quantum dots ainsi que des cellules de type Grätzel. [1] En revanche, les cellules solaires hybrides basées sur les pérovskites, récemment découvertes, atteignent des rendements supérieurs à 22% aujourd'hui à l'échelle du laboratoire, indiquant leur potentiel élevé pour ce type d’applications. Leur compatibilité avec la production à faible coût comme l'impression et les procédés à basse température fait de cette technique non seulement une technologie concurrente directe à l’OPV, mais à d'autres technologies PV traditionnelles. Cependant, il reste des questions ouvertes sur la stabilité des dispositifs, la reproductibilité et surtout le remplacement des matériaux toxiques (entrant en jeu dans leur composition) limitant l'utilisation de la pérovskite dans les applications industrielles.[2] Dans ce contexte très concurrentiel, l’OPV se positionne aujourd’hui comme une technologie prometteuse, car elle est la seule technologie qui réunit des rendements élevés avec une utilisation de matériaux peu toxiques tout en étant compatible avec une fabrication à bas coûts.[3] Cependant, pour émerger comme une technologie de premier choix pouvant entrer dans un marché PV de grande surface et éventuellement remplacer des technologies existantes, il existe encore de grands challenges à relever.

[1] NREL: https://www.nrel.gov/pv/

[2] Wang, D.; Wright, M.; Elumalai, N. K.; Uddin, A. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2016, 147, 255–275.
-You, J.; Meng, L.; Song, T.-B.; Guo, T.-F.; Yang, Y. (Michael); Chang, W.-H.; Hong, Z.; Chen, H.; Zhou, H.; Chen, Y.; De Marco, N.; Yang, Y. Nat. Nanotechnol. 2015, 11, 1–8.

[3] Y. S. Zimmermann et al. Environ. Sci. Technol. 2013, 47, 13151−13159; Y.-S. Zimmermann et al. / Environment International 49 (2012) 128–140

Eclairage, OLED et LASER organique

Les OLEDs comportent différents matériaux organiques assurant différentes fonctions (émetteurs de lumière, transport et injection de charges…). Actuellement le développement de nouveaux matériaux fonctionnels organiques est un enjeu majeur pour augmenter les performances des dispositifs. Notamment les grands défis sont dans la conception de matériaux pour l’émission de la lumière bleue et verte pour produire des OLED efficaces. La technologie de la fluorescence retardée activée thermiquement (TADF : Thermally Activated Delayed Fluorescence)[1] est aujourd’hui considérée comme une solution innovante pour augmenter l’efficacité des émetteurs bleus. A ce jour cependant, ces nouveaux matériaux semi-conducteurs ne sont pas encore aussi stables que d’autres composés organiques utilisés dans des OLEDs. Un autre défi permettant d’augmenter le rendement des OLEDs est le contrôle de l’orientation et l’organisation des molécules ou polymères dans la couche active nécessitant des techniques d’auto-assemblage à développer.[2] Alors que toutes les OLEDs commerciales sont aujourd’hui fabriquées par évaporation, il est important de développer des techniques de mise en œuvre par voie humide (e.g. impression digitale) pour les OLEDs afin de réduire le coût de leur fabrication. Les défis majeurs de l’OLED imprimée sont d'augmenter l'efficacité et la stabilité à l’échelle du laboratoire pour l’étendre ensuite à l’échelle d’une production industrielle R2R.

La thématique LASER organique offre des défis qui sont parmi les plus importants à relever mais aussi potentiellement porteurs de véritables ruptures tant sur le plan fondamental qu’applicatif[3]. Aucune équipe n’a à ce jour démontré de laser organique pompé électriquement.

[1] a) Zhang, Q. ; Li, B. ; Huang, S. ; Nomura, H. ; Tanaka, H. ; Adachi, C. Nature Photonics 2014, 8, 326. b) Xu, S. ; Liu, T. ; Mu, Y. ; Wang, Y.F. ; Chi, Z.  Lo, C.C. ; Liu, S. ; Zhang, Y. ; Lien, A. ; Xu, J.  Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 874.

[2] a) T. D. Schmidt, D. S. Setz, M. Flämmich, J. Frischeisen, D. Michaelis, B. C. Krummacher, N. Danz, and W. Brütting, "Evidence for non-isotropic emitter orientation in a red phosphorescent organic light-emitting diode and its implications for determining the emitter’s radiative quantum efficiency," Appl. Phys. Lett. 99, 2011, 163302 (2011). b) M. Flämmich, J. Frischeisen, D. S. Setz, D. Michaelis, B. C. Krummacher, T. D. Schmidt, W. Brütting, and N. Danz, "Oriented phosphorescent emitters boost OLED efficiency," Org. Electron. 12, 2011, 1663. c) P. Liehm, C. Murawski, M. Furno, B. Lüssem, K. Leo, and M. C. Gather, "Comparing the emissive dipole orientation of two similar phosphorescent green emitter molecules in highly efficient organic light-emitting diodes," Appl. Phys.Lett. 101, 2012, 253304.d) D. Yokoyama, "Molecular orientation in small-molecule organic light-emitting diodes," J. Mater. Chem., 21,2011, 19187.

[3] A. Kuehne and M. Gather : “Organic Lasers : recent developments on Materials, Device geometries and Fabrication techniques”, Chemical Reviews, 10 March 2016, doi : 10.1021/acs.chemrev.6b00172

Bioélectronique, Biocapteurs & Bio-MEMS

Pour des tests et des diagnostics toujours plus rapides, il existe une forte demande dans l’élaboration d’outils pour effectuer des dosages sensibles, simples et peu coûteux. En tant que dispositifs dits biocapteurs, les transistors sont les outils de choix pour de telles applications, notamment parce que leur miniaturisation et leur intégration dans des dispositifs électroniques portables sont déjà bien développées et ne nécessitent pas d'équipement lourd.[1] A cet effet, les capteurs à base de transistors à effet de champ (FET : Field-Effect Transistor) constituent une plate-forme intéressante pour la détection et l'analyse d'éléments biologiques in situ et en temps réel par une conversion directe de l'action biologique en un signal électrique. De plus, l’avantage principal d'un transistor est sa capacité à amplifier le signal d'entrée et à le contrôler. Différentes architectures sont utilisées: le FET métal-oxyde-semi-conducteur (MOSFET), le FET sensible aux ions (ISFET), le transistor organique à couche mince (OTFT), le transistor électrochimique organique (OECT)[2] et le transistor organique à grille électrolytique (EGOFET)[3].[4]

Les biocapteurs représentent des systèmes hybrides fonctionnels, combinant généralement deux composants de base connectés en série, à savoir un système de reconnaissance biologique (moléculaire) et un transducteur physico-chimique.

Les MEMS à base de capteurs bio-chimiques fonctionnant en mode statique, par exemple convertissent la reconnaissance bio(chimique) en une déflexion mécanique. Ce déplacement est provoqué par un décalage de la contrainte superficielle entre les surfaces supérieure et inférieure de la micro-structure autonome lorsque la liaison de l'analyte cible se produit. En raison de leurs propriétés mécaniques ajustables, les MEMS organiques permettent une déviation mécanique beaucoup plus grande par rapport à des déformations inorganiques.

[1] Caizhi Liao et al., “Flexible Organic Electronics in Biology: Materials and Devices,” Advanced Materials, 2014, n/a-n/a, doi:10.1002/adma.201402625.

[2] X. Strakosas, M. Bongo, and R. M. Owens, “The Organic Electrochemical Transistor for Biological Applications,” Journal of Applied Polymer Science 132, no. 15 (April 15, 2015): 41735–49, doi:10.1002/App.41735.

[3] Luisa Torsi et al., “Organic Field-Effect Transistor Sensors: A Tutorial Review,” Chemical Society Reviews 42, no. 22 (2013): 8612, doi:10.1039/c3cs60127g.

[4] S. H. Kim et al., “Electrolyte-Gated Transistors for Organic and Printed Electronics,” Adv Mater 25, no. 13 (April 4, 2013): 1822–46, doi:10.1002/adma.201202790.

Electronique extensible et vêtements intelligents

Le domaine de l’électronique extensible a émergé il y a moins d’une décennie mais a d’ores et déjà progressé jusqu’au point de proposer sur le marché de premiers produits utilisant cette évolution de l'électronique organique. Inspirés par la nature, des réseaux de capteurs extensibles mimant les propriétés de détection de la peau humaine, des robots souples émulant des muscles et des implants neurologiques souples ont été développés pour interagir avec le corps humain à différents niveaux (de la surface de la peau au cerveau). Des cellules solaires organiques ultra-fines et extensibles ont été également démontrées, permettant d’imaginer des sources énergie dans des domaines inaccessibles pour les matériaux inorganiques. La souplesse, caractéristique essentielle de ces dispositifs étirables, représente également un défi pour la conception des dispositifs et le choix des matériaux utilisés dans l'électronique rigide. De nouveaux matériaux, architectures et technologies de traitement sont donc à développer pour répondre aux exigences uniques des appareils extensibles. La stabilité à long terme et la fonctionnalité sont des paramètres importants qui doivent être pris en compte.