Aspects théoriques et expérimentaux du dopage physique (implantation) des polymères électroactifs

¹ LEPOFI, Faculté des Sciences, 123 rue A. Thomas, 87060 Limoges, France
² LAB OCM TIC-CNET, 22301 Lannion, France

Résumé

Dans cet article nous présentons essentiellement du point de vue du physicien d'une part les mécanismes de conduction et de dopage des polymères électroactifs, et d'autre part les principaux résultats obtenus à la suite du dopage physique (implantation) de ces matériaux. Après avoir mis en évidence sous l'aspect physique du solide la transition métal isolant de Peierls (valable dans le cas des liaisons faibles), nous montrons en utilisant la théorie de Hückel que dans le cas des liaisons fortes (cas des polymères) le modèle constitué par une chaîne d'atomes séparés par des liaisons de longueur alternant entre deux valeurs conduit à un schéma de bandes dans lequel apparaît une bande interdite. Les mécanismes de dopage et leurs effets sur cette structure de bande sont présentés selon la théorie de Bredas en prenant comme matériau de référence le polyparaphénylène ; nous montrons alors que le dopage introduit des défauts (polarons et bipolarons) étendus sur la chaîne qui créent des états localisés dans le gap ; pour des dopages élevés on obtient finalement des bandes de bipolaron qui referment partiellement le gap (état semi conducteur). Nous indiquons les limites de cette théorie qui ne tient compte que de la conductivité intrachaîne, les phénomènes globaux de conduction pouvant être expliqués par les théories de Mott (sauts entre différents états localisés) élaborées dans le cas des semi conducteurs amorphes. Au niveau de la réalisation pratique du dopage les études cristallographiques jusqu'alors réalisées montrent que les atomes dopants se trouvent en position intersticielle ; c'est à partir de cette position qu'ils transfèrent leur charge à la chaîne de polymère. Nous présentons alors des exemples de profils d'implantation dans les polymères électroactifs, les parcours moyens pouvant être exprimés à partir des pouvoirs d'arrêt calculés en fonction des paramètres d'implantation. Lorsque ces derniers sont élevés (et notamment l'énergie E > 100 keV) on obtient une dégradation du polymère qui se produit en réalité dans tous les types de polymères : électroactifs ou non. En limitant les paramètres d'implantation on peut doper effectivement les polymères électroactifs, et ce de façon durable contrairement aux dopages chimiques ; nous présentons finalement des exemples de réalisations pratiques de composants actifs polymères qui devraient se multiplier dans les années à venir.

Abstract

In this paper is presented the physicist point of view concerning the transport mechanisms and the doping of electroactive polymers, and the main results collected by physical doping (ion implantation) of these materials. In a first step, the Peierls transition is explained in the frame of solid state physics and we show by using the Hückel theory that a band gap shows up in a model atoms separated by bond lengths alternating between two values. Doping mechanisms and their effects on the band structure are presented following Bredas theory through the example of polyparaphenylene. Therefore we show that defects (polarons and bipolarons) are introduced on the chain generating localized gap states. For high level doping, bipolaron bands are obtained which partly close the gap. The second step of this paper describes the overall conduction process and not only the intrachain process. It may be explained in terms of Mott theory (variable range hoping) elaborated for amorphous semiconducting materials. From the experimental point of view, cristallographic studies performed so far show that dopants are localized in intersticial position and thus can transfer charge to the polymer chain. Some examples of implantation profiles are presented in electroactive polymers, it is possible to calculate the mean ion range from the stopping powers deduced from implantation parameters. With large implantation parameters, particularly E > 100 keV, polymer degradation becomes noticeable and is constant whatever the polymer type, electroactive or not. With smoother parameters, electroactive polymers can be doped efficiently and in a stable way allowing thus the practical formation of components which should become important in the forth coming years.