couche après couche

Les molécules sont vaporisées et s'accumulent sur une surface — cette étape de production dans la fabrication de composants organiques pourrait désormais être prédite sur ordinateur grâce à une nouvelle méthode de simulation.

Les composants organiques sont désormais très médiatisés, notamment grâce aux téléviseurs modernes équipés de diodes électroluminescentes organiques (OLED). Cependant, le développement de nouveaux systèmes de matériaux durables - depuis la fabrication des molécules nécessaires jusqu'à la production de composants fonctionnels - reste encore long. Des chercheurs et chercheuses, notamment Denis Andrienko du Max-Planck-Institut für Polymerforschung et Falk May de Display Solutions chez Merck, ont développé une méthode de simulation qui pourrait considérablement accélérer la recherche de composants organiques appropriés.

Des contrastes élevés, une faible consommation d'énergie – telles sont les caractéristiques des diodes électroluminescentes organiques innovantes. Celles-ci utilisent des molécules organiques, c’est-à-dire des molécules contenant du carbone. Mais d’autres composants, aujourd’hui fabriqués par exemple à partir du semi-conducteur silicium, comme les transistors, pourraient à l’avenir être remplacés par des éléments organiques.

Cependant, plusieurs défis subsistent : la synthèse des molécules correspondantes, ainsi que la fabrication ultérieure de couches minces à partir du matériau approprié. Cela est nécessaire car les composants organiques typiques sont composés de plusieurs couches minces de matériaux différents.

Alors que les propriétés électroniques de nouvelles molécules peuvent déjà être prédites avant la synthèse grâce à des méthodes de simulation appropriées, la prévision du comportement de la molécule lors de la fabrication de couches minces constitue un défi : comment plusieurs molécules s’organisent-elles ? Montrent-elles une orientation relative ? La surface sera-t-elle lisse ? À quelle vitesse les molécules doivent-elles être vaporisées – c’est-à-dire, combien de molécules doivent-elles atterrir par seconde sur une surface ?

Pour prévoir la fabrication de ces couches, des équipes dirigées par Denis Andrienko, chef de groupe au MPI pour la recherche en polymères, et Falk May de Merck, ont adopté une nouvelle approche. La difficulté de la simulation du processus de vaporisation réside dans le fait que, en principe, chaque atome de la molécule à simuler devrait être considéré. Pour obtenir des résultats précis, des capacités de calcul énormes sont nécessaires : la molécule doit être représentée spatialement de manière très détaillée dans l’ordinateur, afin de modéliser chaque atome. De plus, des pas de temps extrêmement courts, de l’ordre de 2 femtosecondes – soit 2 millionièmes de milliardième de seconde – sont requis pour prévoir les mouvements moléculaires.

« Avec les capacités de calcul actuelles, une telle simulation n’est pas réalisable de manière efficace », explique Denis Andrienko. « Nous avons donc choisi une autre voie : nous ne regardons pas si précisément ! » Dans les modèles utilisés par Andrienko et son équipe, les molécules ne sont pas représentées jusqu’au niveau atomique, mais « agrandies ». Cette méthode – appelée coarse graining – représente donc plus un « boîtier » qui contient la molécule qu’elle-même.

Cela accélère considérablement les simulations. D’une part, il n’est plus nécessaire d’avoir une résolution spatiale aussi fine, et d’autre part, la réduction des degrés de liberté permet d’augmenter les intervalles de temps entre chaque étape de simulation. Ainsi, une simulation peut être réalisée en beaucoup moins de temps et fournir déjà des indications qualitatives et quantitatives importantes sur la molécule. En laboratoire, la fabrication et le test de films moléculaires peuvent prendre plusieurs fois plus de temps.

L’équipe, qui a récemment publié ses résultats dans la revue « Advanced Energy Materials », espère que la méthode de simulation utilisée pourra simplifier et accélérer considérablement la fabrication de nouveaux composants.