Le contrôle de la chiralité des semi-conducteurs organiques pourrait améliorer leur efficacité et apporter de nouvelles fonctionnalités aux dispositifs. Cependant, la fabrication de matériaux avec une chiralité réglable en masse est restée un défi – jusqu’à présent, seuls quelques exemples de monocouches orientées avaient été rapportés. Aujourd’hui, une équipe multidisciplinaire de chercheurs au Royaume-Uni, au Canada et au Japon a mis au point une méthode de modélisation simple pour développer des films minces chiraux ordonnés pour un large éventail d’applications.

«Grâce à la conception informatique et à la synthèse intelligente, nous savions que nous disposions de matériaux vraiment passionnants», déclare l’auteur principal Jess Wade de l’Imperial College de Londres, au Royaume-Uni. « Les semi-conducteurs organiques présentent déjà des propriétés intéressantes, ils sont légers, peu coûteux, biocompatibles et hautement ajustables. » L’ajout de la chiralité à la liste pourrait améliorer les propriétés existantes de l’optoélectronique, utilisée dans les écrans, les capteurs, les panneaux solaires, les transistors, etc. «De plus, avec la chiralité, nous pouvons manipuler le spin des photons et des électrons à température ambiante», dit-elle. « Mais pour faire cela dans les appareils, nous devions contrôler les propriétés chirales dans la masse. »

Pour obtenir ce contrôle sans précédent des propriétés chirales, les chercheurs ont utilisé une technique de dépôt sous vide, qui fonctionne en combinaison avec des modèles organiques et inorganiques. « Avec son approche, [we] développer des films minces ordonnés d’hélicènes au-dessus des couches de modèles», explique Wade. Contrairement aux approches précédentes, qui donnaient principalement des monocouches de seulement quelques atomes d’épaisseur, cette nouvelle solution produit des films organisés 20 fois plus épais – jusqu’à 200 nm. « La limite est la quantité de molécules que nos incroyables chimistes peuvent synthétiser ! » Elle ajoute. Cette technologie est beaucoup plus précise en termes de contrôle et de surveillance étroits du processus.

Le dépôt est assez simple : les chercheurs prennent les hélicènes chiraux sous forme de poudre, les chauffent et les laissent se sublimer sur les gabarits. « Ces hélicènes particuliers s’organisent en colonnes supramoléculaires, et nous avons trouvé [they either] à plat ou debout, ce qui a un impact considérable sur leurs propriétés optiques et électroniques», ajoute Wade. « Selon notre choix de calque de gabarit, les hélicènes s’orientent dans différentes directions. »

D’une part, un gabarit à base d’une molécule organique polyaromatique conduit à la formation de colonnes d’hélicène qui s’alignent perpendiculairement à la surface. D’autre part, un modèle inorganique, comme l’iodure de cuivre, favorise la formation de colonnes planes – peut-être en raison des interactions entre les hélicènes et la charge négative à la surface. Ils ont chacun des propriétés distinctes, notamment l’absorption de la lumière et la diffraction des rayons X.

‘Hélicènes [are] connus pour présenter une très forte activité chiroptique», explique Jeanne Crassous, experte en matériaux chiraux à l’Institut des sciences chimiques de Rennes en France. « Ce résultat est important car [it] contrôle l’orientation des matériaux semi-conducteurs… d’une manière très simple», ajoute-t-elle. Crassous a également souligné le rôle clé de la collaboration dans ce travail. ‘[The team] rassemble une association unique de chimistes de synthèse, de théoriciens et de physiciens, qui leur permet de concrétiser des idées simples et originales.

Ghislaine Vantomme, qui explore les matériaux chiraux à l’Université de technologie d’Eindhoven aux Pays-Bas, est d’accord. La découverte s’est produite parce que «des gens d’horizons très différents se sont parlé et ont travaillé ensemble». En outre, Vantomme note l’importance des études informatiques. « Les modèles commencent la cristallisation, mais l’identification de la bonne correspondance entre la couche de modèle et la petite molécule chirale nécessite un travail acharné et beaucoup de calculs. » Les calculs ont permis de simuler la structure cristalline des colonnes d’hélicène, ce qui a également contribué à la caractérisation complète des structures auto-assemblées. «Le contrôle de l’alignement des molécules est très difficile, mais très important pour la fonctionnalité des appareils», ajoute-t-elle.

Crassous et Vantomme conviennent que cette étude est un tremplin vers de nombreux autres matériaux, dispositifs et applications chiraux. « Pour le moment, ils ont essayé quelques hélicènes et modèles différents », explique Vantomme. « Les types de structures [and] les interactions ouvrent la porte à de nouvelles possibilités», ajoute-t-elle.

Le principal inconvénient, explique Wade, est la disponibilité d’hélicène énantiopur. «Parfois, les molécules les plus incroyables sont compliquées à synthétiser», dit-elle. Dans ce cas, « il est encore plus difficile de les séparer en formes énantiomériquement pures ». Mais, une fois ce problème résolu, « cette méthode peut en effet devenir évolutive et bon marché, promettant ainsi des développements appliqués aux appareils », explique Crassous. «Les applications sont nombreuses et prometteuses, de l’éclairage à la production d’énergie», ajoute-t-elle.

A l’image de la technologie des cristaux liquides, qui a commencé petit et s’est retrouvée dans tous nos écrans, cette technologie a un énorme potentiel, commente Vantomme. «Par exemple, les matériaux chiraux pourraient améliorer l’efficacité des OLED, un marché qui vaut des milliards», ajoute-t-elle.