Des nanofils supramoléculaires intégrés et innovants

27 juillet 2016

Des chercheurs du Laboratoire de nanochimie et du Laboratoire des nanostructures de l'Institut de science et d'ingénierie supramoléculaires (CNRS / Université de Strasbourg), en collaboration avec l'Université de Nova Gorica (Slovénie), ont décrit une approche générale et extrêmement polyvalente. Celle-ci permet en effet d'intégrer des nanofils supramoléculaires dans un nouveau réseau à nanomailles présentant des (nano) électrodes asymétriques afin d'obtenir une conversion photoélectrique de haute efficacité. Ces recherches ouvrent ainsi la voie à des applications potentielles à la croisée de l'optoélectronique et de la nanotechnologie. Ces travaux sont parus dans la revue Nature Nanotechnology.


Les nanofils supramoléculaires constitués de briques organiques semi-conductrices auto-assemblées sont des composants appropriés pour le développement de dispositifs optoélectroniques de haute performance. C'est en raison de leurs propriétés optiques (absorption et sensibilité à la lumière), électroniques (transport de porteurs de charge) et morphologiques (rapport surface sur volume) supérieures que ces performances deviennent possibles. La fabrication de dispositifs à base de nanofils organiques reste toutefois difficile, principalement à cause d'un manque de contrôle sur l'interface entre le nanofil et les électrodes.

Une équipe européenne de chercheurs de Strasbourg et de Nova Gorica a ainsi développé une nouvelle stratégie pour connecter simultanément des centaines de nanofils supramoléculaires à des nanoélectrodes avec des niveaux d'énergie différents. Cette connexion est nécessaire pour assurer une collecte directe et efficace de l'énergie lumineuse. A cet effet, un réseau en nid-d'abeilles de millions de nanoélectrodes en forme de puits a été conçu et fabriqué à l'aide d'une approche par étapes combinant lithographie par nanosphères et gravure ionique réactive. Un semi-conducteur organique de type n (transporteur d'électrons), disponible dans le commerce, a été choisi comme brique moléculaire modèle connue pour former des nanofils supramoléculaires robustes.

Après auto-assemblage des nanofils de PTCDI-C8, dépôt sur la structure à nanomailles et traitement thermique sous atmosphère inerte, un effet photovoltaïque attribué à l'absorption de la lumière par les nanofils supramoléculaires a été observé. Fait important, la largeur et l'épaisseur des nanofils ainsi que le diamètre et la profondeur des nanopuits peuvent être facilement ajustés. Les chercheurs ont ensuite réussi à modifier sélectivement l'électrode inférieure par dépôt d'une couche mince d'un polymère semi-conducteur de type p (transporteur de trous) sur la surface de silicium à l'intérieur des nanopuits, formant une jonction p-n avec les nanofils supramoléculaires de PTCDI-C8 sans altérer la morphologie du nanomaillage. Après optimisation, les dispositifs photoniques présentent des caractéristiques exceptionnelles, comme un rapport signal sur bruit élevé (107), un temps de photoréponse ultra-rapide (10 ns) et une efficacité quantique externe supérieure à 55%.

Ces résultats sont d'une grande importance pour la réalisation de dispositifs optoélectroniques de haute performance basés sur des nanostructures organiques (par exemple des diodes électroluminescentes ou des vannes de spin à base de nanofils), comblant ainsi l'écart entre les semi-conducteurs nanostructurés « bottom-up » et les applications optoélectroniques macroscopiques.


Référence

Lei Zhang, Xiaolan Zhong, Egon Pavlica, Songlin Li, Alexander Klekachev, Gvido Bratina, Thomas W. Ebbesen, Emanuele Orgiu* & Paolo Samorì*
A nanomesh scaffold for supramolecular nanowire optoelectronic devices

Nature Nanotechnology
25 juillet 2016
DOI : 10.1038/nnano.2016.125