Polymere conducteur


Polymere conducteur

Polymère conducteur

La mélanine, un polymère conducteur

Le plupart des polymères organiques produits sont d'excellents isolants électriques. Les polymères conducteurs, presque toujours organiques, possèdent des liens délocalisés (souvent dans un groupe aromatique) qui forment une structure similaire à celle du silicium. Quand on applique une tension entre les deux bandes, la conductivité électrique augmente : c'est un transistor. Presque tous les polymères conducteurs connus sont des semi-conducteurs grâce à leur structure en bandes, alors que les polymères à pas zéro se comportent comme les métaux, en conducteurs. La principale différence entre les polymères conducteurs et les semiconducteurs inorganiques est la mobilité des électrons, jusqu'à récemment bien inférieure au sein des polymères conducteurs - un fossé que la science ne cesse de réduire. Outre leurs intérêts en chimie fondamentale, ces recherches ont donné naissance à de nombreuses applications récentes, comme les diodes électroluminescentes, de nombreux écrans vidéo, de nouveaux marquages de produits dans les supermarchés, des traitements de pellicules photographiques, etc.

Les plastiques conducteurs ont un grand avenir dans les technologies de l'information.

Sommaire

Découverte

Dans les années 1970, trois scientifiques américains ont démontré qu'en dopant un film de polyacétylène (en l'occurrence, en l'oxydant avec de la vapeur d'iode), sa conductivité électrique augmente un milliard de fois, devenant alors comparable à celle des métaux comme le cuivre et l'argent. Les propriétés optiques du matériau sont aussi modifiées, puisque celui-ci émet de la lumière.

Le prix Nobel de chimie fut décerné en 2000 aux Américains Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid et au Japonais Hideki Shirakawa pour leur découverte et leur étude des polymères conducteurs.

Chimie

Les principales classes de polymères conducteurs organiques sont les polyacétylènes, les polypyrroles, les polythiophènes, les polyanilines et les polyvinyles de para-phénylène (PVPP).

Dopage

Dans les semiconducteurs à base de silicium, quelques atomes de silicium sont remplacés par des ions en excès (par exemple le phosphore) ou en défaut (par exemple le bore) d'électrons, ce qui leur procure le type N ou P. Cette technique est différente du dopage. Les polymères peuvent être dopés par l'ajout d'un réactif chimique qui oxyde (ou réduit) le système, ce qui fait transiter les électrons de la bande de valence à la bande de conduction, rendant le système plus conducteur.

Il existe deux principales méthodes de dopage des polymères conducteurs, toutes deux se basant sur une oxydo-réduction.

Dopage chimique

La première méthode, appelée dopage chimique, expose le polymère, par exemple une pellicule de mélanine, à un oxydant (de l'iode ou du brome) ou à un réducteur (plus rare, implique l'utilisation de métaux alcalins).

Dopage électrochimique

La seconde méthode, appelée dopage électrochimique, utilise une électrode recouverte d'un polymère et baignant dans une solution électrolytique dans laquelle le polymère est insoluble. On applique une tension entre les électrodes qui provoque un mouvement des ions de la solution et des électrons qui se fixent alors sur le polymère traité, ou s'en échappent. On obtient ainsi un excès (dopage N) ou un défaut (dopage P) d'électrons au niveau de la bande de conduction du polymère.

Cette méthode est une des plus efficaces, mais surtout celle qui bénéficie du plus de recherches : le dopage N, qui ne peut se produire en présence d'oxygène, est plus facile à effectuer : on peut faire le vide dans les récipients avec des moyens convenables.

Faiblesse du dopage N

Le dopage N qui consiste à obtenir un excès d'électrons est bien moins courant que le dopage P ; en effet, l'atmosphère terrestre est riche en oxygène et se présente comme un environnement oxydant. Un polymère dopé N réagit alors avec l'oxygène de l'air et perd les électrons en excès, redevenant neutre. Ainsi, le dopage N implique que le polymère soit maintenu dans un gaz inerte (le plus souvent l'argon).

C'est pourquoi on ne trouve aujourd'hui aucun polymère conducteur de type N dans le commerce, leur durée de vie étant trop courte pour une utilisation quelconque.

Conjugaison

La conjugaison (ou hybridation) d'un polymère conducteur favorise la fluorescence, ce qui permet le développement de systèmes émetteurs de lumière (LEDs ou DELs, OLEDs) et des systèmes photovoltaïques organiques.

On a ainsi vu naître des écrans et des capteurs extrêmement fins (moins d'un centimètre) et très flexibles, dont le record de taille est détenu par la société Samsung avec une diagonale de 105 cm en mai 2005.

Propriétés

Le principal avantage des polymères est leur facilité de production. Les polymères conducteurs sont de simples plastiques, et combinent donc la flexibilité, la résistance, l'élasticité des élastomères aux conductivités d'un métal ou d'un polymère hybride dopé.

Physique

Cette augmentation de conductivité est caractéristique d'un système transistif et peut être simulée par un transistor à effet de champ (FET). Ces polymères sont donc des FET organiques ou OFET.

Applications

Dans certains cas, on peut émettre de la lumière en appliquant une tension à une fine couche d'un polymère conducteur. Cette découverte a permis la mise au point d'écrans ultra-plats, tels que les écrans utilisant des OLEDs, des panneaux solaires ou des amplificateurs optiques.

Étonnamment, on retrouve certains polymères conducteurs au sein même du corps de certains mammifères, où ils permettent la transduction de la lumière ou du son en signal électrique, par exemple dans la peau, les yeux, l'oreille ou le cerveau. Leur conductivité semble permettre l'absorption de la lumière par la peau. La mélanine, qui appartient aux polyacétylènes, possède de telles propriétés et reste actuellement l'une des molécules les plus prometteuses dans ce domaine.

La flexibilité, la résistance, l'élasticité et la facilité de production des polymères conducteurs en ont fait l'un des domaines de recherche privilégiés pour la nanotechnologie. A l'instar des processeurs actuels, on espère pouvoir utiliser ces polymères pour créer des circuits à l'échelle moléculaire.

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