Croissance de cristaux monolithiques de molécules accepteurs non-fullérène complexes par cocristallisation

Pourquoi cela compte pour l’électronique du futur

Les cellules solaires modernes, les capteurs et les petits dispositifs optiques dépendent fortement de l’alignement des molécules dans un cristal. Pour nombre des semi-conducteurs organiques les plus performants aujourd’hui, cependant, obtenir de grands cristaux parfaits a été presque impossible parce que les molécules sont trop volumineuses et fragiles. Ce travail montre une voie pratique pour inciter de telles molécules complexes — en particulier un matériau clé pour cellules solaires appelé Y6 et ses apparentés — à former des monocristaux de haute qualité, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour des dispositifs optoélectroniques efficaces, flexibles et miniaturisés.

Le défi de maîtriser des molécules complexes

Les molécules organiques utilisées dans les cellules solaires de pointe sont conçues pour remplir plusieurs fonctions à la fois : absorber beaucoup de lumière, transporter des charges électriques et se dissoudre facilement dans des solvants courants pour un traitement peu coûteux. Y6, un acteur majeur parmi les accepteurs non-fullérène, possède un noyau long et fusionné pour l’absorption et de nombreuses chaînes latérales volumineuses qui améliorent la solubilité. Ces mêmes chaînes latérales compliquent cependant l’empilement régulier des molécules de Y6, et le matériau se dégrade à des températures relativement basses. En conséquence, les méthodes traditionnelles de croissance cristalline — soit l’évaporation en phase vapeur chaude, soit la cristallisation lente à partir d’un liquide refroidissant — échouent à produire de grands cristaux de Y6 bien ordonnés.

Utiliser un partenaire aidant pour construire des cristaux

Les auteurs résolvent ce problème en empruntant une astuce à la chimie pharmaceutique : la cocristallisation. Plutôt que d’essayer de cristalliser Y6 seul, ils le mélangent à une molécule « additif » spécialement choisie qui agit comme partenaire structural. Cet additif possède un anneau central plat qui peut s’empiler face à face avec les anneaux terminales de Y6, et il est sous forme d’huile visqueuse à la température de croissance. Dissous ensemble dans le chloroforme puis chauffés doucement, les deux composants s’assemblent en nouveaux cristaux constitués d’unités alternées Y6 et additif en proportion stricte 1:1. Ces cocristaux, appelés YAC, se forment soit en bandes allongées en forme d’aiguille, soit en feuilles ultraminces d’épaisseurs réglables de 18 nanomètres jusqu’à 341 nanomètres — soit seulement quelques dizaines de couches moléculaires d’épaisseur.

Comment les nouveaux cristaux croissent et à quoi ils ressemblent

En combinant microscopie optique polarisée, microscopie à force atomique et microdiffraction électronique, l’équipe suit la nucléation et la croissance des YAC. Les cristaux jaillissent d’un point de départ central et s’étendent radialement, comme une étoile microscopique, en se construisant couche par couche. L’analyse structurale révèle que l’additif joue le rôle de pont entre les molécules de Y6, créant un nouveau type d’empilement couplé. Les parties plates de Y6 et de l’additif forment des contacts face à face serrés, tandis que l’espacement supplémentaire qu’elles introduisent laisse de la place pour les longues chaînes latérales de Y6 sans perturber l’ordre. Le résultat est un réseau cristallin ordonné mais flexible dont l’unité répétitive de base est une paire Y6–additif disposée dos à dos de façon escalonnée.

Une recette largement applicable pour des cristaux sur mesure

Pour vérifier si cette approche est générale, les chercheurs l’appliquent à dix autres accepteurs de type Y6 présentant différentes symétries et conceptions de chaînes latérales, ainsi qu’à deux additifs supplémentaires conçus avec des régions d’anneaux plats et un comportement huileux appropriés. Dans chaque cas, ils parviennent à faire croître des monocristaux bien définis de formes variées — bandes, plaquettes et blocs — sur de nombreux types de substrats, y compris le verre, le plastique flexible, le silicium structuré, la feuille métallique et même la paroi interne de capillaires étroits. La croissance peut être guidée par des motifs de surface ou par une exposition lumineuse contrôlée, ce qui permet de « dessiner » des réseaux de cristaux dans des régions choisies pour l’intégration dans des dispositifs.

Astuces optiques et possibilités pour les dispositifs

De manière cruciale, les nouveaux cristaux conservent les propriétés d’absorption et d’émission de lumière souhaitées des molécules d’origine tout en acquérant l’ordre directionnel d’un cristal. De nombreux YAC présentent une forte génération de seconde harmonique, où la lumière incidente d’une certaine couleur est efficacement convertie en lumière de moitié de longueur d’onde. Cet effet optique non linéaire est utile pour des convertisseurs de fréquence compacts et la photonique avancée. Les cristaux répondent également différemment à la lumière polarisée selon la direction et peuvent détecter la lumière polarisée circulairement. Des dispositifs démonstrateurs basés sur les YAC fonctionnent comme photodétecteurs, montrant une réponse polarisée, une sensibilité dans le proche infrarouge et même la capacité de réaliser de l’imagerie mono-pixel, suggérant des applications pour des caméras et capteurs avancés.

Ce que ce travail implique pour l’avenir

En introduisant une molécule partenaire soigneusement conçue, cette étude transforme des semi-conducteurs auparavant impossibles à cristalliser et structurellement encombrés en grands monocristaux bien ordonnés tout en préservant leurs qualités électroniques. L’additif agit comme un échafaudage qui guide le conditionnement des molécules et atténue l’encombrement créé par des chaînes latérales volumineuses. Parce que la méthode fonctionne pour de nombreux accepteurs non-fullérène et additifs différents, elle offre une recette générale pour convertir des semi-conducteurs organiques complexes en cristaux de haute qualité. Pour les non-spécialistes, l’essentiel est que cette stratégie ouvre la porte à des dispositifs optoélectroniques organiques plus fiables, efficients et polyvalents — des cellules solaires améliorées aux composants optiques ultra-compacts — en apportant enfin de l’ordre à certains des matériaux moléculaires les plus prometteurs mais les plus difficiles à maîtriser.

Citation: Xu, Z., Tang, H., Luo, W. et al. Single-crystal growth of complex non-fullerene acceptor molecules via cocrystallization. Nat Commun 17, 3175 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69997-7

Mots-clés: cristaux organiques monocristallins, accepteurs non-fullérène, cocristallisation, matériaux optoélectroniques, génération de seconde harmonique