Mélange de polymères conjugués pour conducteurs ionique et électronique organiques plus rapides

Conjugated polymer blends for faster organic mixed ionic-electronic conductors

• Auteur / Autrice : Micah Barker
• Direction : Georges Hadziioannou, Natalie Stingelin-Stutzmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Polymères
• Date : Soutenance le 20/12/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : EQ4 - Polymère Electronique Matériaux et Dispositifs
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Toupance
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Georges Hadziioannou, Natalie Stingelin-Stutzmann, George Malliaras, Alberto Salleo, Sahika Inal, Magnus Berggren
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : George Malliaras, Alberto Salleo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs polymères

Conduction électrique

Polymères conjugués

Mots clés libres

Transistors électrochimiques organiques

Mélanges de polymères semi-conducteurs

Conducteurs mixtes

Mixed conductors

Semiconducting polymer blends

Organic electrochemical transistors

Résumé

Le fonctionnement de divers dispositifs électrochimiques organiques relève de leur propriété intrinsèque de conductivité mixte par les polymères pi-conjugués. Un facteur clé, qui généralement limite les performances d’un dispositif, est le transport trop lent des ions à travers le polymère semiconducteur, nécessaire pour le dopage et dé-dopage en masse. De plus, de nombreux efforts ont été réalisés pour améliorer la conductivité ionique de différents polymères conjugués en travaillant chimiquement sur la polarité de la chaîne latérale sur ces matériaux. De tels groupements peuvent cependant impacter la structure de ces matériaux et rendre leurs propriétés électroniques sensibles aux conditions environnementales. Ce travail démontre la viabilité d’un mélange de polymères multicomposants comme alternative pour régler la conductivité mixte. Un copolymère à bloc hydrophile de poly(3-hexylthiophène) et poly(oxyde d’éthylène) (P3HT-b-PEO) est mélangé avec un copolymère aléatoire conducteur mixte de P3HT et poly(3-hydroxyhexylthiophène) (P3HT-co-P3HHT). Les transistors électrochimiques du mélange montrent une performance de transduction similaire au matériau P3HT-co-P3HHT pur à l’état stable, cependant le temps de réponse est grandement réduit. On attribut cela à un dopage électrochimique plus rapide puisque la captation des ions s’améliore quand on augmente l'hydrophilie du matériau grâce à l’ajout du copolymère à bloc. En parallèle, la partie P3HT du copolymère à bloc semble agir comme un compatibilisant qui améliore la stabilité structurale du mélange, améliorant ainsi la stabilité opérationnelle du dispositif. Par conséquent, notre travail impliquant cette ingénierie des copolymères à blocs pour fabriquer des mélanges compatibles est une méthode prometteuse pour améliorer les performances et la stabilité des matériaux conducteurs mixtes.

The operation of various organic electrochemical devices relies on the intrinsic mixed conducting properties of π-conjugated polymers. One key factor that generally limits device performance is the slow transport of ions throughout the semiconducting polymer, necessary for bulk doping and de-doping. Thus, there has been increasing efforts to enhance the ionic conductivity of various conjugated polymers by chemically engineering the polarity of the side chains of the material. Such substituents however can impact the structure of these materials and render their electronic properties sensitive to environmental conditions. This work demonstrates the viability of multicomponent polymer blending as an alternative approach to tune mixed conductivity. A hydrophilic block copolymer of poly(3-hexylthiophene) and poly(ethylene oxide) (P3HT-b-PEO) is blended with a mixed conducting random copolymer of P3HT and poly(3-hydroxyhexylthiophene) (P3HT-co-P3HHT). Electrochemical transistors of the blends exhibit similar transduction performance at steady state relative to those of the neat P3HT-co-P3HHT, however the response time is greatly reduced. We attribute this to faster electrochemical doping related to ion uptake due to the increased material hydrophilicity upon adding the block copolymer. Meanwhile, the P3HT-moiety of the block copolymer seems to act as a compatibilizer that can support the structural stability of the blend, which can subsequently support the operational stability of resulting devices. Thus, our work implies that engineering block copolymers to fabricate compatible blends is a promising method to enhance the performance and stability of mixed conducting materials.