Cette thèse a pour objectif de contribuer à la caractérisation et à la modélisation des transistors organiques en couches minces ou OTFTs (Organic Thin Film Transistors). Elle s’est déroulée en partenariat avec le CEA-LITEN qui dispose d'une technologie imprimée ayant démontré sa fonctionnalité à plusieurs reprises. Le but de ce travail est d'abord de comprendre le fonctionnement des transistors organiques afin de déterminer l'impact des paramètres technologiques sur les caractéristiques électriques. Ceci est fait en utilisant une approche par simulation grâce aux paramètres extraits à partir de la mesure. La dépendance en géométrie et en température des paramètres du transistor est observée et étudiée afin de proposer un modèle valide prenant en compte ces variations. Le modèle doit être intégrable dans les flots de conception classiques de la microélectronique (Cadence, Eldo, ADS, etc…). Des modèles de dispersion sont présentés et par la suite utilisés pour la simulation et la réalisation de circuits analogiques organiques. / This thesis focuses on a contribution of organic thin film transistors (OTFTs) characterization and modeling. It takes place in partnership with CEA-LITEN, which has a printed technology. This technology has demonstrated its functionality repeatedly. The goal is to first understand in depth the functioning of the organic transistors to determine the impact of technological parameters on electrical characteristics. This is done using a simulation approach using the parameters extracted from the measurements. The geometry and temperature dependences of the transistor parameters are observed and studied in order to provide a valid model for a wide range of geometry and temperature. The proposed model should respect the following constraints: an integrability in conventional design tools (Cadence, Eldo, ADS, etc...) and must also include a dispersion model. This model is subsequently used to produce blocks of analog circuits.

Ce travail visait à explorer les interactions supramoléculaires comme un outil dans les domaines de la chimie hôte-invité, les nanomatériaux et les nanotechnologies en général, afin de parvenir à des objectifs différents. D'abord, une interaction classique hôte-invité a été étudiée, au moyen d'une technique innovante telle que l'ITC, puis nous avons exploité les interactions supramoléculaires afin de maitriser la production de graphène exfolié en phase liquide, en mettant un accent particulier sur l'amélioration de la qualité et la quantité du matériau produit. Enfin, nous avons étendu l'utilisation de la chimie supramoléculaire à un dispositif réel par la fonctionnalisation des électrodes d'or avec des molécules photochromiques, ouvrant alors la voie à des dispositifs organiques multifonctionnels, pouvant être contrôlés par la lumière. / This work was aimed at exploring supramolecular interactions as a tool in the fields of host-guest chemistry, nanomaterials and in general nanotechnology, in order to achieve different goals. First, a classical host-guest interaction was studied by means of the ITC technique, then we exploited supramolecular interactions in order to harness the production of liquid-phase exfoliated graphene, with a particular focus on improving the quality and quantity of material produced. Finally, we extended the use of supramolecular chemistry to a real device by functionalization of gold electrodes with photochromic molecules, hence paving the way towards multifunctional organic devices and in prospective to graphene based light-controlled multifunctional devices.

Cette thèse a pour but d’étudier le transport de porteur de charge au sein de polymères conjugués, avec comme finalité d’identifier les propriétés des appareils d’électronique organique appropriées pour des applications dans la spintronique organique. Nous avons analysé des échantillons planaires, de géométries latérales, qui offrent la possibilité d’étudier les propriétés de transport sous l’application de différents stimulus et la détection le transport de longue distance du moment angulaire (spin), au sein de semi-conducteurs organiques (OSC). Dans cette configuration, des critères bien établis doivent être satisfait pour réaliser le transport diffusif d’un courant de spin polarisé au travers d’un matériel organique. Nous avons analysé ces diffèrent critères et trouvé des matériaux dont les propriétés physiques fournissent une solution satisfaisante. Le résultat de ce travail fut la création de transistors à effet de champ organiques dont les propriétés répondent au besoin des applications de spintronique. / In this thesis, charge carrier transport in conjugated polymers is studied with the aim to identify organic electronics devices properties suitable for applications in organic spintronics. We investigate planar samples, in a lateral geometry, which offer the possibility to study transport properties under the application of different stimuli and to detect long-range spin transport in OSCs. In this configuration, well-established criteria must be satisfied to realize diffusive-like transport of a spin-polarized current through an organic material. We analyse these criteria and find possible materials properties solutions. The outcome is the realization of organic field-effect transistors with properties ad hoc for spintronics applications.

Le rendement de conversion photoélectrique des cellules photovoltaïques organiques est encore trop faible pour envisager leur production à l'échelle industrielle. La solution proposée dans le cadre de ce travail est l'amélioration du rendement d'absorption des photons dans les couches photoactives. La première partie de ce travail à concerné le développement d'un logiciel de modélisation et d'optimisation des cellules photovoltaïques organiques. Basé sur le calcul de la répartition du champ électromagnétique dans l'épaisseur de la cellule, cet outil permet d'optimiser l'ensemble des épaisseurs des couches d'une cellule classique (bicouche ou mélange) ou des cellules plus complexes (cellules tandem).<br />Puis nous avons relié les propriétés optiques des cellules organiques à leurs propriétés électriques en calculant les densités de courant de court circuit. La validation de nos modélisations a ensuite été réalisée par comparaison avec les résultats expérimentaux sur des cellules composées d'hétérojonctions bicouches ou de volume et pour différents couples donneur-accepteur (P3HT:PCBM, CuPc/C60 ou pentacène:pérylène). Dans la dernière partie de ce travail nous avons abordé l'étude de l'exaltation locale du champ électromagnétique via des effets de plasmons de surface. Pour cela, nous avons modélisé, réalisé et caractérisé des empilements de couches organiques, contenant des nanoparticules métalliques (or et argent), dans le but d'exalter localement le champ électromagnétique.

Les dispositifs optoélectroniques à base de matériaux organiques nécessitent la réalisation de couches barrière de perméation car l'oxygène et l'humidité dégradent fortement ces dispositifs. Afin d'augmenter leur durée de vie et ainsi les rendre commercialement attractifs, des couches d'encapsulation sont nécessaires, ceci représente un défi majeur surtout dans le cadre des substrats flexibles comme les plastiques. Des faibles valeurs du taux de perméation sont exigées, typiquement de l'ordre de 10-5 g/m2.jour dans le cadre de l'eau. Deux voies ont été étudiées, dans le cadre de cette thèse, pour atteindre cet objectif: d'une part en fabriquant des barrières multicouches à base de nitrure de silicium amorphe, chaque couche étant séparée de la suivante par un traitement plasma d'argon, d'autre part en fabriquant des barrières hybrides alternant des couches inorganiques avec des couches organiques. Nous avons choisi la technique de dépôt chimique en phase vapeur par filament chaud (HW-CVD) pour le dépôt des couches inorganiques et nos efforts ont porté sur l'étude approfondie des paramètres contrôlant le plasma. Il ressort que l'énergie des ions impactant la surface a été le paramètre déterminant. Diverses techniques d'analyse ont été nécessaires pour évaluer précisément la qualité des couches constituant les barrières de perméation. Une interprétation physique du procédé plasma a été proposée, basée sur le réarrangement atomique induit à chaque interface par les ions de faible énergie (< 40 eV). Pour chacune des voies choisies, des très faibles taux de perméation (4 à 7 × 10-5 g/m2.jour) ont été atteints. Avec la combinaison de ces deux méthodes d'encapsulation, nous avons atteint une valeur de WVTR extrêmement faible (6 × 10-6 g/m2.jour), ce qui semble suffisant pour l'utilisation dans des dispositifs organiques.

Les cellules photovoltaïques organiques ont fait l'objet d'un intérêt croissant au cours de ces dernières décennies car elles offrent un grand potentiel pour une production d'énergie renouvelable à faible coût. Afin d'obtenir des cellules solaires organiques à haut rendement de conversion d'énergie, beaucoup de recherches se focalisent sur les matériaux ayant des capacités à absorber la lumière efficacement. Dans ce contexte, le présent travail se concentre sur la conception et le développement de nouveaux matériaux donneurs d'électrons (oligomères et polymères) comme matériaux absorbant de la lumière basée sur l'approche " Donneur-Accepteur " alternant des segments riches en électron (donneur d'électron) et des unités pauvres en électron (accepteur d'électron). Trois séries d'unités riches en électron ont été étudiées: oligothiophènes, fluorène et indacenodithiophene. L'unité fluorénone est la principale unité " accepteur d'électron " étudiée. Une comparaison directe avec le système basé sur l'unité benzothiadiazole comme accepteur d'électron est également rapportée. Trois méthodes principales de synthèse ont été utilisées: polymérisation oxydante par le chlorure de fer (III), et les couplages croisés au palladium de type Suzuki ou de Stille. Les études spectroscopique UV-Visible en absorption et en photoluminescence sur ces oligomères et polymères ont démontré la présence de complexes à transfert de charges permettant d'élargir le spectre d'absorption. Les oligomères et les polymères possèdent des faibles largeurs de bande interdite de 1,6 eV à 2 eV. Les systèmes ayant des unités fluorénones présentent des spectres d'absorption étendus allant jusqu'à 600-700 nm, tandis que les systèmes ayant des unités benzothiadiazoles présentent des spectres d'absorption allant jusqu'à 700- 800 nm. La nature des bandes de complexes à transfert de charge se révèle d'être dépendant de la force de respective des unités " donneur d'électrons " et des unités " accepteur d'électrons ". Les niveaux d'énergies HOMO et LUMO des oligomères et les polymères sont déterminés par des mesures électrochimiques. Les polymères à base de fluorène possèdent des niveaux d'énergie HOMO les plus bas. Ces polymères testés en mélange avec les fullerenes PCBM en cellules photovoltaïques ont démontré des valeurs élevées de tension en circuit ouvert (Voc) proche de 0,9 V. Tous les oligomères et les polymères ont été testés dans des dispositifs photovoltaïques et ont montré des résultats encourageants avec des rendements de conversion allant jusqu'à 2,1 %. Ce sont des premièrs résultats obtenus après seulement quelques optimisations (ratios oligomères ou polymères : fullerènes et recuit thermique). Ce travail prometteur permet ainsi d'envisager des résultats plus élevés dans le futur.

Les cellules photovoltaïques organiques ont fait l'objet d'un intérêt croissant au cours de ces dernières décennies car elles offrent un grand potentiel pour une production d'énergie renouvelable à faible coût. Afin d'obtenir des cellules solaires organiques à haut rendement de conversion d'énergie, beaucoup de recherches se focalisent sur les matériaux ayant des capacités à absorber la lumière efficacement. Dans ce contexte, le présent travail se concentre sur la conception et le développement de nouveaux matériaux donneurs d'électrons (oligomères et polymères) comme matériaux absorbant de la lumière basée sur l'approche « Donneur-Accepteur » alternant des segments riches en électron (donneur d'électron) et des unités pauvres en électron (accepteur d'électron). Trois séries d'unités riches en électron ont été étudiées: oligothiophènes, fluorène et indacenodithiophene. L'unité fluorénone est la principale unité « accepteur d'électron » étudiée. Une comparaison directe avec le système basé sur l'unité benzothiadiazole comme accepteur d'électron est également rapportée. Trois méthodes principales de synthèse ont été utilisées: polymérisation oxydante par le chlorure de fer (III), et les couplages croisés au palladium de type Suzuki ou de Stille. Les études spectroscopique UV-Visible en absorption et en photoluminescence sur ces oligomères et polymères ont démontré la présence de complexes à transfert de charges permettant d'élargir le spectre d'absorption. Les oligomères et les polymères possèdent des faibles largeurs de bande interdite de 1,6 eV à 2 eV. Les systèmes ayant des unités fluorénones présentent des spectres d'absorption étendus allant jusqu'à 600-700 nm, tandis que les systèmes ayant des unités benzothiadiazoles présentent des spectres d'absorption allant jusqu'à 700- 800 nm. La nature des bandes de complexes à transfert de charge se révèle d'être dépendant de la force de respective des unités « donneur d'électrons » et des unités « accepteur d'électrons ». Les niveaux d'énergies HOMO et LUMO des oligomères et les polymères sont déterminés par des mesures électrochimiques. Les polymères à base de fluorène possèdent des niveaux d'énergie HOMO les plus bas. Ces polymères testés en mélange avec les fullerenes PCBM en cellules photovoltaïques ont démontré des valeurs élevées de tension en circuit ouvert (Voc) proche de 0,9 V. Tous les oligomères et les polymères ont été testés dans des dispositifs photovoltaïques et ont montré des résultats encourageants avec des rendements de conversion allant jusqu'à 2,1 %. Ce sont des premièrs résultats obtenus après seulement quelques optimisations (ratios oligomères ou polymères : fullerènes et recuit thermique). Ce travail prometteur permet ainsi d'envisager des résultats plus élevés dans le futur. / Organic photovoltaic (OPV) cells have been a subject of increasing interest during the last decade as they are promising candidates for low cost renewable energy production. In order to obtain reasonably high performance organic solar cells, development of efficient light absorbing materials are of primary focus in the OPV field. In this context, the present work is focused on the design and development of new electron donor materials (oligomers and polymers) as light absorbing materials based on “Donor-Acceptor” approach alternating electron donating group and electron withdrawing group. Three main families of electron donating group are studied: oligothiophenes, fluorene and indacenodithiophene. Fluorenone unit is the principal electron withdrawing group studied and a direct comparison with the system based on benzothiadiazole unit as electron withdrawing unit is also provided. Three main synthetic methods were employed: oxidative polymerization mediated by Iron (III) chloride and Palladium cross-coupling reactions according to Suzuki coupling or Stille coupling conditions. Spectroscopic studies on absorption and photoluminescence have demonstrated the presence of characteristic charge transfer complex in all the studied D-A oligomers and polymers allowing the extension of the absorption spectrum. The D-A oligomers and polymers have shown an overall low optical band gap of 1.6-2 eV with absorption spectra up to 600 to 800 nm. The nature of the charge transfer complex transitions bands were found to be depending on the strength of the electron donating unit and the electron withdrawing unit. Furthermore molecular packing in solution and in solid state has also demonstrated to contribute to extension of absorption spectrum. The HOMO and LUMO energy levels of the oligomers and polymers were determined by electrochemical measurements. Fluorene-based polymers have shown low lying HOMO energy levels, and these polymers demonstrate high open circuit voltage (Voc) in photovoltaic cell when combined with fullerenes derivatives PCBM with Voc values close to 0.9 V. The oligomers and polymers tested in photovoltaic devices have shown promising results with the highest power conversion efficiency obtained of 2.1 % when combined with fullerenes PCBMC70. These results were obtained after only limited numbers of device optimizations such as the active materials ratios and thermal annealing. Therefore further optimization of devices may exhibit higher power conversion efficiencies.

Les matériaux à propriétés thermoélectriques sont utilisés pour des applications de récupération d'énergie thermique, de génération de froid ou encore de détection de flux de chaleur. L'efficacité de ces matériaux, caractérisée par les facteurs de mérite et de puissance thermoélectriques, est optimale lorsque le coefficient Seebeck, la conductivité électrique, et la résistivité thermique sont élevés. Aux températures ambiantes, les meilleurs rendements sont atteints pour des alliages basés sur le tellurure de bismuth Bi2Te3 dont le coût et la toxicité sont des verrous pour le développement d'applications à grande échelle. Dans l'optique du développement d'alternatives à ces matériaux, les polymères conjugués sont envisagés depuis quelques années. Leurs propriétés sont toutefois largement inférieures à celles du Bi2Te3.Cette thèse a pour objectif l'étude et l'amélioration des performances thermoélectriques de matériaux basés sur le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) ou PEDOT. Elle s'organise principalement autour de trois axes de travail. La première partie présente l'étude de propriétés thermoélectriques de formulations commerciales de PEDOT. L'influence de divers paramètres (l'ajout d'inclusions, l'utilisation d'un dopant secondaire, la modification de son taux d'oxydation…) sur les propriétés thermoélectriques est mesurée. Notamment, l'efficacité du dopage secondaire pour améliorer le facteur de puissance du matériau, ainsi que la relation entre le taux d'oxydation et le coefficient Seebeck du matériau, sont mis en évidence.Dans un second temps, le PEDOT est synthétisé avec des contre-ions à faible encombrement stérique et peu coordinants. Les propriétés thermoélectriques des matériaux obtenus sont supérieures à celles offertes par les formulations commerciales. La forte dépendance entre le transport de charge et la structure du matériau est mise en évidence. De plus, une méthode de dopage primaire du matériau permettant une forte augmentation de la conductivité électrique a été étudiée.Enfin, des pistes de réflexion pour l'intégration des matériaux développés dans cette thèse ont été explorées. Dans ce cadre, des méthodes de mises en forme originales ont notamment été démontrées.Cette thèse a permis d'apporter des éléments de compréhension sur les relations entre les propriétés thermoélectriques des polymères conjugués, leur taux d'oxydation, la nature de leurs dopants, et leur structure. Les résultats obtenus laissent envisager plusieurs voies d'optimisation des propriétés des matériaux organiques qui devront faire l'objet de futurs travaux. / Thermoelectric materials are useful for applications such as heat waste recovery, cold production or heat flux detection. The factor of merit and the power factor of the materials characterize their efficiency. These factors are optimal for high Seebeck coefficient, electrical conductivity, and thermal resistivity. The higher yields for room-temperature applications are achieved with materials based on bismuth telluride alloys, but the cost and the toxicity of these materials prevent the development of large-scale applications. In recent years, conjugated polymers have been contemplated as alternatives for Bi2Te3, however, their thermoelectric properties are significantly lower.This thesis aims at studying and improving the thermoelectric performances of materials based on poly3,4-ethylene dioxythiophene) or PEDOT. It consists of three areas of work. In the first part the thermoelectric properties of commercial formulations of PEDOT is presented. The influence of various parameters (such as additional loads, secondary doping species or redox reactions) on the thermoelectric properties is studied. Notably, the propensity of secondary doping to improve the power factor of the material, and the relationship between the oxidation and the Seebeck coefficient of the material rate, are set evidences.In a second part of the work, PEDOT is synthetized with less sterically hindered, poorly coordinating counter-ions. Thermoelectric properties of the resulting materials are higher than those offered by commercial formulations and the strong dependence of the charge transport and the material structure are highlighted. Moreover, a method of doping the primary material allowing great increases of the electrical conductivity was also studied.Finally, several routes for the integration of the above mentioned materials in thermoelectric modules are explored. Original shaping methods have been demonstrated.This thesis provides understandings on the relationship between the thermoelectric properties, the oxidation rate and the structure of conjugated polymers. The results suggest that several ways can be considered in order to improve the thermoelectric efficiency of these materials. These routes will be the subject of future work.

Le but de cette thèse était d’auto-assembler des entités triarylamines donneurs d’électrons et capables de s’empiler en fibres conductrices sous l’action de la lumière, avec des entités accepteurs d’électrons de manière à obtenir des hétérojunctions supramoléculaires. Ces objectifs ont été atteints dans des versions dites statiques (distances constantes entre canauxdonneur et accepteur d’électrons) mais aussi dans une version dynamique ou la distance entre unités électroactives change grâce à l’action contrôlée d’un muscle moléculaire intégré. Ces systèmes auto-assemblés fonctionnels ont montré des changements très importants de leurs propriétés optoélectroniques en réponse à des stimuli orthogonaux comme la lumière et le pH. / The aim of this thesis was to self-assemble electron-donating triarylamine units, capable of aggregation into conducting fibers triggered by light, with electron-accepting entities to obtain supramolecular heterojunctions. These objectives were attained, that is in static versions (with constant distances between electron-donating and -accepting channels) and in a dynamicversion wherein the distance between the electroactive units changes owing to the controlled action of an integrated molecular muscle. These functional self-assembled systems showed very important changes in their optoelectronic properties in response to orthogonal stimuli such as light and pH.

Les diodes organiques électroluminescentes (OLEDs), dans lesquelles l’émission de couleur provient de la fluorescence de molécules organiques, représentent une évolution de la technologie des diodes électroluminescentes (LED) classiques. Les OLEDs phosphorescentes (PhOLEDs) permettre d’atteindre des rendements plus élevée que les OLEDs, en utilisant comme couche émissive un couple « matériau organique/dopant phosphorescent ». Ce travail porte sur la synthèse et l'étude de nouvelles molécules à haut état triplet, pour des applications comme matrices hôtes dans des PhOLEDs bleues. Après une introduction à ce domaine novateur, la synthèse de nouveaux semi-conducteurs organiques dérivés de l’architecture 2π-1spiro et l’analyse détaillée des propriétés physico-chimiques sont présentées. Les performances de PhOLEDs bleues utilisant ces nouvelles matrices sont alors décrites et montrent l’intérêt du design de ces nouvelles molécules hôtes. / Organic light emitting diodes (OLEDs) in which light is emitted from fluorescence pathway of an organic molecule, represent an evolution of the light emitting diode (LED) technology. Phosphorescent OLEDs (PhOLEDs) which combine in the emitting layer an “organic host doped with a guest phosphor”, may reach theoretically higher performances than OLEDs. This work is focused on the synthesis and the study of new organic compounds with high triplet state energy, which will be used as host material in blue PhOLEDs. After an introduction of this important field of organic electronics, the synthesis of new organic semi-conductors based on the 2π-1spiro architecture and the detailed analysis of their physicochemical properties through a structure/properties relationship study are presented. The performances of blue PhOLEDs using these matrices are then described and show the great interest of the new host designs.