Les dérivés arène-carboxyliques sont des matériaux intéressants dans le but d’obtenir une cellule solaire organique efficace à base de cristaux liquides : Ils présentent à la fois des propriétés électroniques modulables en fonction de la structure chimique, une tendance aux larges plages de températures de présence d’une mésophase colonnaire et souvent un alignement homéotrope au contact de surfaces polaires telles que l’ITO ou le verre. Nous montrons avec cette thèse que des couples donneur-accepteur colonnaires à température ambiante peuvent être obtenus, avec des propriétés suffisamment complémentaires pour prévoir des dissociations d’excitons en charges séparées à leur jonction dans des cellules solaires. / Carboxylic derivatives of polycyclic aromatics are interesting materials in order to obtain efficient organic solar cells based on liquid crystals: They have adjustable electronic properties depending on the chemical structure, a tendency to form a columnar mesophase over wide ranges of temperatures and often a homeotropic alignment in contact with polar surfaces such as ITO or glass. We show with this thesis that donor-acceptor pairs of room-temperature columnar liquid crystals with adjusted properties can be obtained in view of efficient exciton dissociation into separate charges at their junction in solar cells.

Dans l’âge des objets connectés, circuits conventionnels implémenté sur silicium ne sont pas la seule option pour réaliser des interfaces des capteurs. Dispositifs électroniques implémentés sur substrats souples sont aussi une option intéressante comme interface des capteurs dans notre quotidien, e.g: dans des vêtements, emballages, peau et dedans notre corps humain. Dans cette thèse nous proposons une formalisation de :-La procédure de fabrication de transistors en utilisant des matériaux organiques et flexibles. -La conception de circuits analogiques et numériques en utilisant ces transistors. Les contributions de cette thèse sont :• Optimisation de la procédure de fabrication et caractérisation de 2 technologies : la première fabriqué en utilisant des masques (« shadow masks » en anglais) avec un procès relativement « simple à implémenter ». La deuxième par un procès en utilisant la photolithographie et l’auto alignement. • Modélisation et extraction de paramètres pour prévoir leurs variations dans la conception de circuits.• Customisation des outils CAO « Open Source » VLSI (Alliance ©) pour la conception des circuits et layouts des transistors organiques.• Conception, fabrication et mesure des circuits analogiques (OTAs, comparateurs et convertisseurs analogiques-numériques) et circuits numériques simples (inverseurs, portes logiques, bascules). Ce travail a eu des résultats intéressants et il ouvre un ample spectre d’applications dans l’avenir dans le domaine de l’électronique flexible et organique. / In the era of “Internet of Things”, conventional silicon-based circuits are not the only option to realize sensor interfaces. Electronic devices based on flexible materials are an interesting approach to interface with sensors connected to our everyday life, e.g.: clothes, packages, skin and into the human body. In this thesis, we propose a formalization of the:- Transistor fabrication process using organic and flexible materials.- Analog and digital circuit design using these transistors. The main contribution of this work can be summarized in the following:- Optimization of the fabrication and characterization process of two technologies: the first by shadow masks with an easy-to-fabricate procedure, the second by self-alignment and photolithography.- Modeling and parameter extraction for process variation aware analog design.- Customization of an open source VLSI CAD tools (Alliance©) for circuit design and layout of OTFT.- Design, fabrication and measurement of OTFT analog front-ends (OTAs, Comparators, Analog-to-Digital Converters,…) and basic digital circuits (Inverters, Logic Gates, …).This work achieved very interesting results and it opens a wide scope of future applications in the field of Flexible organic electronics.

Afin d’obtenir une approche où l’aspect industriel du projet est soutenu par les connaissances académiques et les capacités analytiques du monde de la recherche, ce travail portant sur les cellules photovoltaïques organiques souples grande surface commence par décrire l’énergie photovoltaïque dans son ensemble. Les tenants et aboutissants de son développement sont détaillés, ainsi que ses filières technologiques. Les semi-conducteurs organiques, les mécanismes physiques mis en jeu dans la production d’électricité d’origine photovoltaïque et les grandeurs électriques associées aux cellules photovoltaïques organiques ainsi que les différentes structures de celles-ci sont ensuite présentés. Les dispositifs réalisés dans le cadre de ce travail sur les cellules photovoltaïques organiques sont présentés. Les différentes techniques de dépôt de couches minces, aussi bien celles permettant la production en masse que celles permettant la production à plus petite échelle sont présentées. Cette présentation s’accompagne d’une recherche qui se veut exhaustive des publications relatant l’utilisation des ces techniques d’impression afin de créer des dispositifs photovoltaïques organiques. Une comparaison de ces différentes techniques est menée afin de déterminer les modes de production pertinents. Une étude bibliographique complète menée sur les cellules « grande surface » est présentée. Les cellules et modules réalisés grâce au procédé pilote d’enduction par héliogravure sont ensuite présentés. Le travail réalisé sur un autre procédé, le « doctor blade », est ensuite exposé. Enfin, la problématique du séchage et du recuit des couches minces déposées en continu est posée, et le traitement micro-onde proposé comme solution. / To obtain an approach where the industrial aspect of the project is supported by academic knowledge and the analytical capacities of research, this work concerning the large area flexible organic solar cells begins by describing the photovoltaic energy in general. The ins and outs of its development are detailed, as well as the different technologies involved. The organic semiconductors, the physical mechanisms involved in the photovoltaic electricity production and the physical values attached to the organic solar cells as well as the various structures of these cells are then presented. Devices realized within the framework of this work are then presented. The various techniques of depositing thin layers allowing the mass production as well as those allowing the smaller-scale production are presented. This presentation comes along with an exhaustive research of the publications telling the use of these techniques of printing to create organic photovoltaic devices. A comparison of those various techniques is led to determine the relevant means of production. A complete bibliographical study led on large area organic solar cells is presented. Cells and modules realized thanks to the experimental process of heliogravure coating are then presented. The work realized with another process called doctor blade is then exposed. Finally, the problem of the drying and annealing of the thin layers deposited continuously is raised, and the microwave treatment proposed as a possible solution.

Ce travail s'inscrit dans le domaine des cellules solaires organiques et se focalise sur le dimensionnement et design de la cellule. Nous avons cherché à établir la relation entre la forme d'une cellule solaire et sa dissipation thermique dans les électrodes, plus spécifiquement l'électrode inférieure transparente, car les matériaux utilisés pour la réaliser ont souvent une conductivité très faible par rapport à celle des électrodes métalliques. D'autre part nous présentons un modèle actif capable de simuler le comportement de la couche active selon différentes conditions d'éclairage (illumination partielle et défauts localisés) et pour différents régimes de fonctionnement (injection, polarisation). Dans le cadre du projet PHASME en partenariat avec Disasolar et l'INES, on a posé les bases pour le développement d'un logiciel de conception capable de réaliser un module solaire multicolore à partir d'un substrat de forme géométrique quelconque. On a identifié deux types d'algorithme. Une solution A (dite matricielle), pour laquelle on effectue le remplissage de la surface active du module avec des cellules identiques, relie entre elles ces cellules en sous-groupes pour créer le potentiel de fonctionnement souhaité. Une méthode B (dite non-matricielle) consiste à partager la surface du module en sous-modules de surface quelconque adaptée aux zones de couleur. Ces sous-modules sont ensuite découpés en groupement en série cellules du même type (couleur, performance, matériaux de couche active), mais dont la forme s'adapte exactement au remplissage du sous-module. Ces cellules doivent nécessairement avoir la même surface, afin de produire le même courant pour éviter les pertes dans le groupement en série. / This work concerns organic solar cells and it focuses on several aspects of the design of the device that are related to the sizing. The core of this study highlights the relation between the shape of an organic solar cell and the thermal dissipation inside the electrodes. The main contribution to this power loss comes from the transparent back electrode, since its conductivity is typically lower than those of the top electrode. In parallel we developed a non-linear model for the active layer in order to simulate the behavior of the solar cells in several particular illumination cases (such as spotlights, shadows and defects in the active layer) and different working regime. In the framework of PHASME project, a grant in collaboration with Disasolar and CEA-INES, we developed another piece of software closer to the CAD domain which the main function was to create a photovoltaic polychrome module starting from a substrate with given shape and size. We found two strategies. One consists in filling by the same solar cell shape and size the entire substrate and then in finding a suitable grouping in order to have the correct working point outside the device (matrix approach). The other one (non-matrix approach) consists in adapting the shape of the device to a given colored region, each individual cell keeping the same surface extension, which allows them to be connected in series since they all generate the same amount of current.

L'électronique supramoléculaires vise à construire et à étudier les propriétés optoélectroniques des architectures supramoléculaires à l'échelle nanométrique. L'objectif de cette thèse est d'obtenir le contrôle de l'organisation des systèmesmoléculaires organiques et de corréler leur structure avec les propriétés électriques, avec une attention particulière sur les propriétés à l'échelle nanométrique. Les stratégies exploitées nécessitent un design chimique adapté, un équilibre desinteractions intermoléculaires et d'interface, un contrôle sur la cinétique des processus et, éventuellement, l'exploitation des forces extérieures. Les résultats présentés montrent que la compréhension des propriétés locales d'un matériau sur une base à l'échelle nanométrique est un énorme défi fondamental vise à apporter des solutions à des questions scientifiques et technologiques, puisque les performances dans les appareils électroniques sont fortement dépendante de l'ordre au niveau supramoléculaire. / Supramolecular electronics aims to construct and investigate the optoelectronic properties of tailored supramolecular nanoarchitectures. The aim of this thesis is to get control over the organization of organic molecular systems and correlate their structure with the electrical properties, with particular attention at the nanoscale properties. The exploited strategies require a focused molecular design, the balancing of intermolecular and interfacial interactions, a control on the kinetics of the processes and possibly the exploitation of external forces. The presented results showed that understanding the local properties of a material on a nanoscale basis is a huge fundamental challenge to bring solutions to both scientific and technological issues, since in electronic devices the performances are strongly dependent on the order at the supramolecular level.

Les cellules solaires organiques ont longtemps été qualifiées de cellules solaires« polymères ». Cette appellation découle du fait que la couche active de telles cellules solaires a majoritairement été réalisée avec un polymère donneur d’électrons. L’utilisation d’un polymère au sein de la couche active a permis d’envisager la production de cellules solaires organiques par voie liquide avec des procédés d’impression à grande vitesse. Il existe cependant un autre type de matériau donneur d’électrons : les petites molécules. Ces dernières déposées par évaporation thermique permettent d’obtenir des cellules à haut rendement. A cause de leur faible propriété filmogène, les petites molécules n’ont cependant pas été envisagées pour un procédé d’impression industrielle. Or, en 2012 plusieurs petites molécules déposables par voie liquide font leur apparition et permettent d’obtenir des rendements suffisamment élevés à l’échelle laboratoire, pour envisager leur à l’échelle industrielle. Ces travaux de thèse ont été conduits en collaboration avec ARMOR, une entreprise visant à commercialiser les cellules solaires organiques, dans le but d’évaluer le potentiel d’industrialisation des petites molécules donneuses d’électrons. Le p-DTS(FBTTh2)2 a été choisi pour cette étude. Il a été montré qu’il était possible d’atteindre des rendements de 2% avec ce matériau à l’air, avec des solvants non toxiques en utilisant un procédé d’enduction à racle. L’industrialisation du p-DTS(FBTTh2)2 n’a cependant pas été poursuivie car ce dernier est très instable à l’air. Ces travaux présentent une méthodologie pouvant être utilisée pour évaluer l’industrialisation d’autres matériaux de ce type. / Organic solar cells are often called “polymer” solar cells. This term comes from the fact that the active layer of such solar cells have been widely made with a donor polymer. The use of polymer inthe active layer gives interesting filming properties that can be used to produce these solar cells industrially with a high speed printing process. Yet, another type of donor materials exists: the small molecules. Deposited by thermal evaporation, this type of materials can allow to reach high efficiency solar cells. Because of their poor filming properties, small molecules were not a good candidate for an industrialization using high speed printing. However, in 2012 several solution processable small molecules were proven particularly promising by demonstrating high efficiency at a laboratory scale.These encouraging results let imagine that it could be possible to produce organic solar cells with such materials. This PhD work has been done in collaboration with ARMOR, a company highly implied in the commercialization of organic solar cells, in order to evaluate if small molecules materials could be use dindustrially with a high speed printing process. The p-DTS(FBTTh2)2 has been chosen for this study. It has been shown that it is possible to reach efficiencies as high as 2 % with such a material, using non toxicsolvents and by making the solar cell in the air with a Doctor Blade. Nevertheless, the industrialization ofthe p-DTS(FBTTh2)2 has not been pursued due to the rapid degradation of this molecule in the air. This work presents a method that can be used to evaluate the industrialization of other efficient small molecules.

La croissance du nombre d'études en électronique moléculaire depuis plusieurs décennies repose sur la perpective fascinante d'utiliser des " briques " moléculaires nanométriques pour la fabrication de composants électroniques. Le travail présenté ici s'inscrit dans cette perspective avec comme particularité d'utiliser les monocouches auto-assemblées (les SAMs) pour former le système moléculaire à étudier. La synthèse de ces travaux de recherche en électronique moléculaire durant ces 10 dernières années à l'IEMN sera présentée en se focalisant plus particulièrement sur quatre aspects de ces activités. Tout d'abord, nous aborderons la problématique de la formation expérimentale de la jonction moléculaire (métal ou semi-conducteur/molécules/métal). Dans ce cadre, nous décrirons la réalisation expérimentale de nombreux types de jonctions moléculaires par: électrodes coplanaires (espacées de 50 µm à 16 nm), masque mécanique, micro-nanopore, contact avec une électrode liquide (eGaIn et Hg) et Conducting AFM. Dans un second temps, nous discuterons des mécanismes de transport électronique au sein de la jonction. Pour cela nous étudierons une technique très utilisée depuis quelques années appelée Transition Voltage Spectrocopy (ou TVS), qui permet théoriquement de remonter au niveau d'énergie de l'orbitale moléculaire impliquée dans le transport électronique au sein de la molécule. Notre approche dans cette partie repose sur l'analyse par TVS d'un grand nombre de jonctions moléculaires formées par différentes techniques, et différentes molécules déposées en SAM (en fait 3 familles de molécules). Les résultats obtenus seront comparés à ceux obtenus par UPS et IPES afin d'estimer la pertinence de la technique TVS. Nous verrons que ce travail met en lumière l'importance de l'interface sur l'interprétation des résultats obtenus par TVS. Le troisième aspect traitera de la réalisation d'un composant moléculaire : le transistor à effet de champ, dont le canal conducteur est constitué d'une SAM. La fabrication à l'aide d'électrodes coplanaires de ce type de composant, nommé Self Assembled Monolayer Field Effect Transistor ou SAMFET, sera décrite. Nous verrons que ce transistor donne des valeurs de mobilités comparables à celles obtenues sur des transistors organiques avec un canal conducteur plus épais. De plus, les tensions nécessaires au fonctionnement de ce SAMFET sont très faibles (inférieures à 2V). C'est la première démonstration de SAMFET avec des tensions de fonctionnement proches du volt. Le quatrième et dernier volet portera sur la réalisation de jonctions moléculaires stimulables, c'est-à-dire des molécules dont la conductance change sous l'effet d'une excitation extérieure. Trois aspects seront détaillés : tout d'abord, nous comparerons les conditions de greffage sur substrat d'or pour des SAMs constituées de molécules dérivées quaterthiophène avec une ou deux fonctions thiol ; puis nous étudierons une molécule déposée en SAM capable de réagir avec des cations Pb2+ et modifier ses propriétés électroniques ; et enfin, nous examinerons des jonctions excitables optiquement nommées commutateurs électro-optiques. Pour ce dernier exemple, la jonction est constituée d'une molécule avec un groupement azobenzène. Ce groupement peut basculer optiquement et réversiblement entre deux isomères. Ces deux isomères ont des conductances différentes, le rapport des conductances moyen a été mesuré à environ 1,5.103 et avec une valeur maximum de 7.103. Ce ratio de conductance entre les deux isomères demeure à ce jour le plus élevé mesuré pour des jonctions moléculaires à base de molécules dérivées azobenzène.

La travail présente traite du développement de diodes organiques électroluminescentes(OLEDs) a haute luminance pour des applications dans des micro écrans. Ces dispositifs sontbases sur des substrats silicium utilisent la technologie CMOS. Le présent ouvrage met en avantles efforts développe afin de réduire la dérive en tension et ma décroissance lumineuse enopération des dispositifs lumineux.Dans la première partie de l’étude, des OLEDs vertes haute luminance fonctionnant àbasse tension sont développes. L’empilement organique a émission vers le haut comprenant unémetteur fluorescent vert entre des couches de blocage de charges et des couches de transportdopées. Les effets de différentes structures de dispositifs, des configurations de l’empilement etdes matériaux organiques sur les performances initiales et en opération sont reportés ici.Dans la deuxième partie de l’étude, le développement de dispositifs OLED hybrides pourmicro écrans couleurs est présenté. Les structures hybrides comprennent une couche detransport de trous photosensible et traitable par solution (X-HTL) et d’une OLED blancheréalisée par évaporation sous vide. Cette méthode permet la génération de couleur directe, ellepermet ainsi d’obtenir de très bonnes efficacités et un contrôle aisé de la couleur émise parsimple modification de l’épaisseur de X-HTL. / The present work reports the development of high luminance organic light emitting diodes(OLEDs) device stacks for microdisplay applications. The devices are based on siliconcomplementary metal-oxide semiconductor (CMOS) backplane. In the present treatise effortsare particularly focused on reducing the luminance decay and the voltage drift during deviceoperation.In the first part of this study, high brightness and low operating voltage green OLEDs arereported. The top emitting device stack comprises of fluorescent green emitter accompanied bycharge blocking layers and doped charge transport layers. The effect of different devicestructures, configurations and organic materials on the initial and lifetime performance of thedevice is presented.In the second part of the study, device development of hybrid OLED stacks for high luminancefull color microdisplays is reported. The hybrid devices comprise of a solution processed andphotocrosslinkable hole transport layer (X-HTL) and an evaporated white OLED stack. Thismethod allows direct primary color generation with relatively high efficiency and offers ease ofcolor tunability by controlling the thickness of the X-HTL.