Comprendre les mélanges de polymères pour leur utilisation comme conducteurs mixtes d'ions et d'électrons

Understanding polymer blends for use as mixed ion-electron conductors

• Auteur / Autrice : Yasmina Al Yaman
• Direction : Cyril Brochon, Natalie Stingelin-Stutzmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Polymères
• Date : Soutenance le 18/12/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Vignau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Rubatat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Mecerreyes, Laure Biniek

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères conjugués

Transistors organique électrochimiques

Semiconducteurs polymères

Mots clés libres

Mélange de polymères semi-conducteurs

Conducteurs mixtes

Transistors électrochimiques organiques

Mixed conductors

Semiconducting polymer blends

Organic electrochemical transistors

Résumé

Les dispositifs organiques électrochimiques émergent comme des composants essentiels dans la bioélectronique, en particulier pour les applications nécessitant une interface avec les systèmes biologiques, tels que les implants médicaux et les dispositifs portables. Un défi récurrent dans les performances de ces dispositifs est l'inefficacité du transport ionique au sein des polymères semi-conducteurs utilisés, ce qui limite leur efficacité globale. Pour remédier à cela, nous avons d'abord étudié de nouveaux polymères hydrophiles synthétisés pour améliorer la mobilité ionique. Cependant, ces matériaux ont montré une faible solubilité, entraînant des performances insuffisantes. Nous avons donc opté pour le mélange de polymères comme solution plus pratique. En mélangeant le poly(3-hexylthiophène) (P3HT) hydrophobe avec des polymères hydrophiles tels que P3HT-b-PEO ou le polyéthylène oxyde (PEO), nous avons amélioré la mobilité ionique tout en conservant les propriétés électroniques nécessaires. Ces mélanges ont montré un comportement transistor clair, le P3HT-b-PEO agissant comme compatibilisant, améliorant significativement la stabilité par rapport au PEO seul. Les mélanges avec un P3HT de masse moléculaire plus élevée ont également présenté une meilleure stabilité et des temps de réponse plus rapides, probablement grâce à un enchevêtrement accru des polymères. Lorsque cette stratégie de mélange a été appliquée au polymère rigide Poly[2,5-(2-octyldodécyl)-3,6-dicétopyrrolopyrrole-alt-5,5-(2,5-di(thién-2-yl)thiéno[3,2-b]thiophène)] (PDPP2T-TT-OD), nous avons observé des améliorations similaires des performances, bien que la rigidité de sa chaîne principale ait limité sa compatibilité. Ce travail de recherche montre l'efficacité du mélange de polymères pour optimiser le transport ionique et la stabilité des OECT, ouvrant ainsi la voie à des dispositifs bioélectroniques plus performants.

Organic Electrochemical devices are emerging as vital components in bioelectronics, particularly for applications requiring interfacing with biological systems, such as medical implants and wearable devices. A recurring challenge in the performance of these devices is the inefficient ion transport within the semiconducting polymers used, which limits their overall efficiency. To address this, we initially investigated newly synthesized hydrophilic polymers designed to enhance ion mobility. However, these materials exhibited poor solubility, leading to ineffective device performance. Consequently, we shifted our approach to polymer blending as a more practical solution. By blending the hydrophobic poly(3-hexylthiophene) (P3HT) with hydrophilic polymers such as P3HT-b-PEO or polyethylene oxide (PEO), we enhanced ion mobility while maintaining the necessary electronic properties. These blends demonstrated clear transistor behavior, with P3HT-b-PEO acting as a compatibilizer, significantly improving stability comparedto PEO alone. Blends with higher molecular weight P3HT also exhibited greater stability and faster response times, likely due to increased polymer entanglement. When this blending strategy was applied to the more rigid polymer Poly[2,5-(2-octyldodecyl)-3,6-diketopyrrolopyrrole-alt-5,5-(2,5-di(thien-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene)] (PDPP2T-TT-OD), we observed similar improvements in device performance, although the polymer's rigid backbone limited compatibility. Overall, this research highlights the effectiveness of polymer blending in optimizing ion transport and stability in OECTs, paving the way for more efficient bio-interfacing electronic devices.