Au cours de travaux réalisés à l'Institut Laue-Langevin, des
scientifiques de l'Imperial College London ont présenté une nouvelle
manière de positionner les nanoparticules dans les plastiques, avec des
applications importantes dans la production de revêtements et de
matériaux photovoltaïques qui captent l'énergie solaire. L'étude,
présentée dans le journal Advanced Materials, a utilisé les neutrons
pour comprendre le rôle que joue la lumière – même la lumière ambiante –
dans la stabilisation de ces films minces qui sont notoirement
instables. Comme preuve de concept, l'équipe a montré comment la
combinaison de chaleur, de basse intensité visible et de lumière UV
pourrait, dans le futur, être utilisée comme un outil précis et bon
marché pour l'impression 3D de circuits à couches minces auto-assemblées
sur ces films.
Les constats
Les films minces, composés de longues chaines de molécules organiques
appelées polymères et fullerènes, de grandes molécules en forme de
ballon de football et entièrement composées de carbone, sont
principalement utilisés dans les cellules solaires en polymère où ils
émettent des électrons lorsqu'ils sont exposés à des rayons solaires
visibles ou ultraviolets. Ces matériaux photovoltaïques peuvent générer
de l'énergie électrique en convertissant les rayons solaires en courant
électrique direct. Les cellules solaires en polymère sont d'un intérêt
particulier pour l'électronique de faible puissance comme les réseaux de
capteurs sans fil autonomes qui permettent de tout surveiller, de la
température des océans jusqu'aux contraintes dans un moteur de voiture.
Ces mélanges de fullerènes/polymères revêtent un intérêt particulier car
ils sont légers, peu coûteux à fabriquer, flexibles, personnalisables
au niveau moléculaire et relativement respectueux de l'environnement.
Cependant, les cellules solaires actuelles en polymère n'offrent qu'un
tiers de l'efficacité des autres matériaux capteurs d'énergie et sont
très instables.
La méthode utilisée
Afin d'améliorer la compréhension de la science de la dynamique de ces
systèmes et donc leur performance opérationnelle, l'équipe a effectué
des expériences de réflectométrie neutronique à l'ILL, le centre phare
en science neutronique, sur un simple film-type composé de fullerène pur
avec un polymère flexible. La réflectométrie neutronique est une
technique non-destructive qui permet d'enlever des couches de ces films
minces pour voir ce qui arrive séparément au fullerène et aux polymères,
à résolution atomique, sur toute leur profondeur.
Les résultats de l'étude
Alors que les théories précédentes suggéraient que la stabilisation des
films minces était liée à la formation d'une couche de particules de
fullerènes expulsés à la surface du substrat, les expériences de
réflectométrie neutronique ont montré que les ballons de football
restaient uniformément répartis à travers la couche. L'équipe a montré
que la stabilisation des films était causée par une forme de
photo-réticulation des fullerènes. Le processus donne une plus grande
intégrité structurelle aux films, ce qui signifie que les films (jusqu'à
10 000 fois plus petits qu'un cheveu humain) deviennent facilement
stables avec des quantités infimes de fullerène.
Les implications de cette découverte sont importantes, en particulier en
raison du potentiel de création de dispositifs en plastique beaucoup
plus minces (par conséquent utilisant de plus petites quantités de
matériel ce qui minimise leur impact environnemental) qui restent
stables, avec une augmentation de leur efficacité et de leur durée de
vie. La photosensibilité suggère également un outil unique et simple
pour l'introduction de modèles et de schémas dans ces films notoirement
instables. Comme preuve de concept, l'équipe a utilisé un photomasque
pour contrôler dans l'espace la répartition de la lumière et de la
chaleur ajoutée. La combinaison entraîne l'auto-assemblage des
fullerènes en schémas connectés bien définis et en schémas déconnectés, à
la demande, simplement en chauffant le film jusqu'à ce qu'il commence à
ramollir. Il en résulte une topographie spontanée et cela pourrait
former la base d'un outil peu coûteux pour l'impression 3D de circuits à
films minces. D'autres applications potentielles pourraient inclure la
schématisation de capteurs ou d'échafaudages biomédicaux. Dans le futur,
l'équipe de chercheurs cherchera à transposer les résultats à des
polymères conjugués et à des dérivés de fullerènes, plus communs dans
les films commerciaux et les revêtements en couches minces industriels.
A propos de L'Institut Laue-Langevin. L'ILL est un centre de recherche
international situé à Grenoble, France. Il est le leader en science et
technologies neutroniques depuis près de 40 ans, les premières
expériences ayant été réalisées en 1972. L'ILL exploite l'une des
sources de neutrons les plus puissantes au monde, qui alimente un parc
de 40 instruments de pointe qui sont constamment modernisés. Chaque
année, 1 200 chercheurs de plus de 40 pays viennent à l'ILL pour faire
des recherches en physique de l'état condensée, chimie (verte),
biologie, physique nucléaire et science des matériaux. Le Royaume-Uni,
avec la France et l'Allemagne est un associé et un investisseur
majoritaire d'ILL.
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