Des nanofils supramoléculaires intégrés et innovants

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 polyvalente.

Cette approche 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

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