Semi-conducteurs organiques miniaturisés : la prochaine génération d'électronique flexible

Les transistors à effet de champ (FET) sont les éléments constitutifs de l'électronique moderne : circuits intégrés, processeurs, plans arrière d'affichage. Les transistors à effet de champ organiques (OFET) offrent l'avantage de la flexibilité par rapport à leurs homologues inorganiques comme le silicium.

Un potentiel immense pour de nouvelles applications

Grâce à leur haute sensibilité, flexibilité mécanique, biocompatibilité, propriétés ajustables et faible coût de fabrication, les OFET ouvrent la voie à l'électronique portable, aux capteurs de surveillance de santé conformables et aux écrans pliables. Imaginez des écrans TV enroulables, des vêtements intelligents collectant des signaux vitaux pour un biofeedback instantané, ou des micro-robots en matériaux organiques inoffensifs opérant à l'intérieur du corps pour le diagnostic, le transport ciblé de médicaments ou la micro-chirurgie.

Le frein de la miniaturisation

Jusqu'ici, la principale limitation pour améliorer les performances et la production de masse des OFET résidait dans la difficulté de les miniaturiser. Les produits actuels utilisant des OFET sont limités en flexibilité et durabilité.

Une percée structurelle à l'Université de Hong Kong

Une équipe dirigée par le Dr Paddy Chan Kwok Leung, au département de génie mécanique de l'Université de Hong Kong (HKU), a réalisé une avancée majeure en développant un OFET monocouche à structure décalée, qui facilitera grandement la réduction de la taille des OFET.

Le problème majeur dans la réduction de taille est la chute significative des performances, due notamment à la résistance de contact — résistance aux interfaces — qui freine le flux de courant. Lorsque le dispositif devient plus petit, cette résistance de contact devient un facteur dominant dégradant les performances.

Résistance de contact record et économie d'énergie

Les nouveaux OFET monocouches à structure décalée affichent une résistance de contact normalisée record de 40 Ω·cm, contre 1 000 Ω·cm pour les dispositifs conventionnels. Cette innovation permet d'économiser 96 % de la dissipation de puissance à l'interface, réduisant ainsi la chaleur générée — cause fréquente de défaillance des semi-conducteurs. Cela permet de réduire les dimensions des OFET à l'échelle sub-micrométrique, compatible avec les homologues inorganiques, tout en conservant leurs propriétés organiques uniques. « C'est crucial pour répondre aux exigences de commercialisation », souligne le Dr Chan.

Meilleur rapport signal/bruit et applications médicales

Ces OFET offrent aussi un rapport signal/bruit amélioré, permettant de détecter de faibles signaux inaccessibles avec les électrodes conventionnelles. Ils pourraient transformer les appareils rigides (écrans, ordinateurs, téléphones) en dispositifs flexibles, pliables, plus légers et moins coûteux.

« De par leur nature organique, ils sont probablement biocompatibles pour des applications médicales avancées : capteurs d'activité cérébrale, détection de pics neuronaux, diagnostic de précision de maladies comme l'épilepsie. » — Dr Chan

Vers des essais in vivo

L'équipe du Dr Chan collabore avec la Faculté de médecine de HKU et des experts en génie biomédical de CityU pour intégrer ces OFET miniaturisés dans un circuit flexible sur microsonde polymère pour la détection de pics neuronaux in vivo sur cerveau de souris sous stimulations externes. Ils prévoient aussi de les intégrer dans des outils chirurgicaux (cathéters) pour capter directement l'activité cérébrale et localiser des anomalies.