Depuis une trentaine d’années, les matériaux organiques semi-conducteurs sont l’objet de recherches fondamentales autant qu’appliquées. Cet intérêt s’explique par des propriétés communément absentes des matériaux inorganiques utilisés jusqu’à présent telles que leur légèreté, leur souplesse et leur mise en forme aisée par des techniques d’impression à bas coût. Cependant, la forte anisotropie de leurs propriétés électroniques, telles que la mobilité des charges, a limité leur intégration dans les appareils de la vie courante.Ainsi, le but de cette thèse est d’étudier de nouveaux concepts de structures moléculaires adaptées au transport de charge tridimensionnel (3D) en phase cristalline. Cette étude concerne la synthèse des molécules, la caractérisation de leurs propriétés optoélectroniques, la résolution de leur structure cristalline, des mesures de dispositifs électroniques ainsi que la modélisation de paramètres clés du transport de charge.Pour atteindre cet objectif, les règles de conception appliquées aux molécules linéaires appartenant à la série du TIPS-pentacene a été étendues à des molécule de symétrie C3h. Les molécules possèdent ainsi un cœur aromatique plan en forme d’étoile à trois bras auxquels sont ajoutés des substituants encombrants proches du centre. Deux empilements sont alors envisagés appelés empilement par les bras ou en colonne décalée pour lesquels un chemin de percolation des sauts de charge est attendu dans les 3 dimensions.Ainsi, 13 triazastarphenes substitués par des amines ou des phényles ont été nouvellement obtenus via des méthodes de synthèses originales et directes. De plus, des systèmes borofluorés ont pu être obtenus ainsi qu’une voie de synthèse originale d’un composé utilisé en OLED. D’autre part, la résolution des structures cristallines a permis d’identifier des empilements proches voir identiques de ceux escomptés. Par exemple, deux benzostarphenes présentent respectivement un empilement par les bras sur la moitié de la maille et un empilement en colonne décalée. Enfin, l’étude théorique a mis en évidence que le transport de charge devrait s’effectuer en 2D pour le premier cas et en 3D pour le second en phase cristalline.Finalement, ce travail décrit pour la première fois la synthèse de composés étendus et solubles en forme d’étoile basés sur un motif acridine. Au-delà des multiples études sur les propriétés de ces molécules ainsi que de leurs intégrations quelquefois réussies dans des dispositifs électroniques (OFETs ou cellules à solaires à perovskites), les nouvelles méthodes de synthèse et les empilements discutés en détails devraient contribuer à l’élaboration de nouvelles règles de conception de composé -conjugué et participer au développement de semi-conducteurs organiques de plus hautes performances. / The research in organic electronics has attracted worldwide attention due to the specific properties of organic materials such as lightness, flexibility, large scale processing ability and low production cost. Compared with inorganic materials, the strong anisotropy and low charge carrier transport mobility limit their integrations in commercial devices. This research aims at developing molecule systems leading to three-dimensional charge transport.To reach this goal, our design strategy is to expand the generally linear-shaped molecular structure into star-shaped structure with C3h symmetry. The designed molecules consist of a planar core of fused aromatic cycles to form efficient - stacking with neighboring molecules and of bulky groups located close to the center to increase the solubility of the materials and prevent 1D columnar packing. Thus, two supramolecular arrangements are speculated (arm and column packing) where charge hopping follows pathways in 3D.Based on this design, 13 triazastarphenes substituted directly by amine or phenyl groups were synthesized and thoroughly characterized. Their electronic properties were carefully determined by UV-visible absorption spectroscopy, cyclic voltammetry and DFT calculations. Results from single crystal XRD showed that the experimental packing is similar to model for few molecules. In detail, one amino-triazastarphene has shown a new 2D layer by layer packing motif, while benzo-triazastarphenes have led to column packing in one case and half arm packing for another as expected. In addition, theoretical approach highlighted 2D and 3D dimensionality for charge carrier transport for the two later examples in the crystal phase.Finally, this work is the first report about straightforward synthesis of extended C3h acridine derivatives. Even though the performances obtained from the devices (OFETs and perovskite solar cells) based on these materials did not reach state of the art performances, the novel synthetic method and the achievement of interesting molecular arrangement motifs in single crystal can contribute to the development of high-performance OSCs.

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.

L’effet thermoélectrique permet la conversion directe et réversible d’un flux de chaleur en courant électrique via l’utilisation de semi-conducteurs de type-p et de type n. Les polymères conjugués, comme le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT) sont pressentis pour être des alternatives aux alliages de tellurure de bismuth (Bi2Te3) coûteux, toxiques et difficiles à synthétiser.Cette thèse se propose d’améliorer la conductivité électrique d’un PEDOT et de faciliter sa mise en œuvre par une technique d’impression grande surface comme le spray.La première partie porte sur l’amélioration de la synthèse par tournette du PEDOT : OTf dont le dopage est stabilisé par le contre-ion trifluorométhanesulfonate (OTf-). Plusieurs co-solvants sont testés comme la pyridine ou la NMP. Ces co-solvants permettent de ralentir la polymérisation et d’améliorer ainsi la structure du matériau. Des conductivités électriques de 3600 S.cm-1 avec un coefficient Seebeck aux environs de 20 µV.K-1 sont atteintes.La seconde partie étudie les avantages et les inconvénients d’une synthèse de ce PEDOT : OTf amélioré par spray ultrasonique. Cette technique permet de conserver la formulation développée pour le dépôt par tournette. Il est possible d’obtenir des films épais (~ 1 µm) avec une conductivité électrique supérieure à 1650 S.cm-1. Des études par diffraction des rayons X et de transports permettent de comparer les deux méthodes de dépôt et d’orienter les choix de formulation et de procédé.Finalement, avec ces améliorations apportées, des exemples de modules thermoélectriques imprimés sont présentés et évalués. Ainsi en imprimant plus de 300 thermocouples connectés en série puis roulés, un tel module thermoélectrique occupe une surface inférieure à une pièce de 50 centimes d’euro et peut générer 1 µW avec un gradient de température de 35 °C.Cette thèse souhaite pouvoir apporter des éléments de réponse sur la relation entre la mise en œuvre et les propriétés électriques des polymères conducteurs. / Thermoelectricity can convert directly and reversibly a heat flux into an electric current with p and n-type semiconductors. Conjugated polymers, such as poly(3,4-ethylenedioxithiophene) (PEDOT), offers an alternative to the best room temperature thermoelectric materials based on bismuth telluride alloys which used scarce, hazardous and hard to process raw materials.This PhD work aims to enhance the electrical conductivity of an in-situ polymerised PEDOT and make it easy to process with large scale printing techniques like spray-coating.The first part focus on the optimisation of this synthetized PEDOT through spin-coating. The doping of this PEDOT is stabilised with the counter-ion trifluoromethanesulfonate (OTf-). One way of enhancement is to add co-solvents like pyridine and NMP in order to slow down the polymerisation rate. Consequently, PEDOT:OTf get a better structure and reach an outstanding electrical conductivity of 3,600 S.cm-1 without decreased the Seebeck coefficient which remains around 20 µv.K-1.The second part studies pro and cons of the ultrasonic spray as a coating technic to this enhanced PEDOT:OTf. This technic allows to keep an ink formulation closed of the spin-coating one and can print thick films (~ 1 µm) with an electrical conductivity above 1650 S.cm-1. XRD and transport measurements are achieved in order to understand and compare both spray and spin-coating techniques. And therefore, to enlighten improvement on formulation and process.At last, several examples of spray-coated thermoelectric generators are shown and tested. Thus by printing more than 300 thermocouples connected in series and rolled into a cylinder, such devices could produce 1 µW with a gradient of temperature of 35 °C on a surface less than a 5 cm2 (size of a coin).This thesis work wishes to provide insight on the process-electrical relationship in conducting polymers.

Au cours de cette thèse, une technique de mesure du potentiel de surface par AFM (KPFM) a été développée et exploitée. Elle permet la caractérisation locale et quantitative de transistors organiques (OTFT) polarisés à plusieurs dizaines de volts, en condition ambiante. Cependant tout type de composants polarisés dont la surface est accessible peut être étudié. La méthode a été utilisée de façon complémentaire à l’étude conventionnelle des caractéristiques courant-tension des transistors et à la simulation, elle contribue ainsi à une meilleure compréhension des mécanismes de transport et d’injection des porteurs dans les OTFT. Nous avons étudié des transistors en structure empilée ou planaire et à base de semi-conducteurs variés (PTAA, DNTT, P3HT). Nous avons obtenu des caractéristiques courant-tension intrinsèques du contact de source, ohmique ou non-linéaire, suivant les cas. Les résultats sont 10 fois plus précis qu’avec la méthode dite « transmission line method (TLM) » et permettent d’étudier chaque transistor individuellement. La modélisation des contacts s’est appuyée sur l’implémentation du modèle d’injection d’Arkhipov dans un simulateur quasi-2D. Une nouvelle méthode de mesure de la mobilité et de la tension de seuil à partir des profils de potentiel a été introduite. Nous avons ainsi mesuré la mobilité du canal indépendamment des effets des contacts. Etonnamment la mobilité a été trouvée indépendante du champ électrique et de la densité de charges pour tous les OTFT étudiés. Enfin l’analyse des profils de potentiel dans le canal a mis en lumière des effets inattendus comme une diminution de la mobilité proche des contacts ou une évolution de la tension de seuil. / In this work, a surface potential measurement technique based on the Kelvin Force Probe Microscopy (KPFM), has been developed and applied to operating electronic devices. Potential profiles in the channel of organic transistors operated under high voltage (>10V) have been measured under ambient conditions. This original technique was used together with conventional current-voltage characterization and numerical simulation to gain a better understanding of carrier injection and transport properties in organic thin film transistors (TFTs). Various TFT structures and materials were studied (PTAA, DNTT, P3HT). The source intrinsic current-voltage characteristic was found either linear or non-linear depending on the device technology. Contact resistance measurements are 10 times more accurate than using the conventional « transmission line method» (TLM), and allow individual TFT characterization. Contact modeling was carried out using a quasi-2D numerical model, including an injection model from Arkhipov, and compared to measurements. New mobility and threshold voltage measurement methods, extracted from the KPFM potential profiles, are introduced. The KPFM measured channel mobility does not suffer from any contact influence. Surprisingly, the channel mobility was also found independent from the carrier concentration and from the electric field, on all the measured devices. Finally, unexpected effects could be evidenced from the potential profiles on some TFT structures: a reduction of the channel mobility occurs close to the contacts in some planar structures, and a shift of the threshold voltage was observed in staggered devices.

La perspective d'atteindre prochainement les limites de la microélectronique à base de silicium a encouragé le développement de solutions alternatives. Parmi elles, l'électronique organique, dans laquelle les éléments actifs du composant sont constitués de systèmes organiques pi-conjugués, semble très prometteuse. Les progrès réalisés ces 20 dernières années sur les performances des dispositifs organiques résultent en grande partie de l'amélioration de la structuration de ces matériaux, et la relation entre structure et propriétés électroniques reste à ce jour l'une des problématiques majeures de l'électronique organique.<br />Une caractérisation structurelle par STM de monocouches auto-assemblées réalisées à base de petites molécules synthétisées au laboratoire (B4OTF et B5OTF) ou de polythiophènes, a été entreprise dans un premier temps afin de dégager les mécanismes régissant l'assemblage des molécules. Dans le cas du polymère, une nette amélioration des propriétés cristallines a pu être obtenue par recuit des échantillons et une deuxième couche structurée a pu être observée pour la première fois sur des échantillons plus concentrés. <br />Enfin l'influence de conformations locales inter ou intra-chaîne du polymère sur ses propriétés électronique intrinsèques a été investiguée par spectroscopie tunnel bidimensionnelle. S'il semble que les défauts intra-chaîne tels que les repliements aient peu d'impact sur la structure électronique du matériau, un surprenant accroissement du gap a été observé sur des chaînes isolées de deuxième couche qu'on suppose généralement en configuration de pi-stacking et donc susceptibles d'expérimenter une plus grande délocalisation électronique.

L'électronique organique est un domaine de recherche récent en pleine expansion. La plupart des composants de l'électronique classique trouvent à ce jour un équivalent utilisant des matériaux semi-conducteurs organiques (OSCs) : diodes électroluminescents organiques (OLEDs), transistors à effet de champ organiques (OFETs) ou encore cellules photovoltaïques organiques (OPVs). Depuis la réalisation des premières vannes de spin organiques en 2002 et 2004, le domaine de la spintronique organique connaît un certain essor. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte, avec pour objectif de fabriquer des vannes de spin organiques et de les étudier afin de mieux comprendre les mécanismes d'injection et de transport de spin dans les OSCs. Les jonctions réalisées sont constituées de deux électrodes ferromagnétiques, dont la polarisation en spin se conserve audelà de la température ambiante, entre lesquelles un film mince de 50 à 200 nm d'un matériau OSC est pris en sandwich. Au cours de cette thèse, plusieurs molécules ont été étudiées, au regard de leurs différentes propriétés électroniques : le tris-(8-hydroxyquinoline) aluminium (Alq3), le tétraéthyl pérylène 3, 4, 9, 10- tétracarboxylate (PTCTE) et le benzofurane bithiophène (BF3). Des études morphologiques et structurales ont été réalisées afin de contrôler la qualité des interfaces métal/OSC. Des mesures VSM (Vibrating Sample Magnetometer) ont permis de s'assurer du comportement vanne de spin de nos échantillons de 10 K à 300 K. Enfin, des mesures de transport avec ou sans champ magnétique ont été réalisées en fonction de la température. Elles ont permis de mettre en évidence la limitation du courant par les charges d'espace en présence de pièges profonds, avec une conduction par sauts de type Various Range Hopping de Mott. Des méthodes alternatives de fabrication de l'électrode supérieure ont été comparées afin d'améliorer la stabilité des composants réalisés. Pour finir, 3 % de magnétorésistance ont été obtenus à 5 K pour le PTCTE et à 40 K pour le BF3, suggérant que ces matériaux sont de bons candidats pour le transport polarisé en spin.

Les systèmes conjugués sont actuellement très développés pour leur caractère semi-conducteur qui peut être mis à profit pour l'élaboration de composants électroniques. Ce travail porte sur la synthèse et la caractérisation de molécules conjuguées pour une utilisation dans des cellules photovoltaïques (PV). Après une introduction générale décrivant le principe de la conversion PV et les différentes classes de matériaux actifs, l'accent est mis sur les systèmes conjugués qui représentent une alternative aux matériaux inorganiques. Un état de l'art présente les principales structures moléculaires conduisant à des cellules PV performantes. Au cours de ce travail, différentes approches conduisant à des matériaux moléculaires donneurs d'électron ont été développées. La première est basée sur l'utilisation d'oligothiophènes de structure bidimensionnelle (chapitre 2). Ce travail a montré que la désymétrisation de ces systèmes ou bien l'insertion d'unités acceptrice d'électron en leur sein conduisait à une amélioration des performances des cellules PV correspondantes. Une seconde approche a consisté à développer la synthèse de nouveaux systèmes conjugués donneur-accepteur (D-A) et donneur-accepteur-donneur (D-A-D). Les groupes donneurs d'électrons D sont constitués de dérivés d'oligothiényl triarylamine. L'originalité de ce travail réside dans l'utilisation de blocs accepteurs A dérivés du tétracyanobutadiène (chapitre 3) ou d'indénothiophénylidène malononitrile (chapitre 4). Des dispositifs PV d'architecture simple réalisés à l'aide de ces nouveaux matériaux moléculaires ont conduit à des performances élevées.

Nous étudions l'utilisation de l'électronique organique à l'interface du tissu nerveux pour des applications in vitro et in vivo. Le principal objectif est la fabrication d’interfaces neuronales flexibles pour enregistrer l'activité électrophysiologique de cellules neuronales sur de longues durées. À cette fin, nous utilisons du parylène-C comme substrat et le polymère conducteur poly(3,4-éthylène dioxythiophène):poly(styrène sulfonate) pour réduire l'impédance de l'interface cellule/électrode. En utilisant nos matrices de microélectrodes, nous montrons comment améliorer le rendement d'enregistrement avec un modèle 3D in vitro. La formation de clusters cellulaires 3D augmente considérablement le nombre d’enregistrements de potentiels d’action unitaires. In vivo, nous démontrons la fabrication de sondes de support en polymères biodégradables sur nos capteurs flexibles en utilisant une combinaison de polymères alcool polyvinylique et poly(lactique-co-glycolique). Alors que notre support d’insertion en PVA fournit la rigidité nécessaire à la pénétration, le revêtement PLGA retarde la dissolution du support afin de placer précisément les capteurs à l'intérieur du cerveau. Cela nous permet d’enregistrer en profondeur et, dans les conditions idéales, de minimiser les lésions cérébrales par rapport à les sondes traditionnelles rigides. Dans l'ensemble, nous avons réussi à effectuer des enregistrements électrophysiologiques avec nos propres microélectrodes et sondes invasives, améliorant le rendement d'enregistrements in vitro et démontrant que nos support d’insertion biodégradables pénètrent le cerveau. Ces résultats annoncent de prometteuses applications médicales futures. / Neural interfaces are designed to unravel the mysteries of the brain and to restore the functions of paralyzed patients. Despite the success of traditional neural interfaces, these rigid devices are prone to failure within months after surgery. Mechanical mismatch with the soft neural tissue is believed to be one of the main causes. In this thesis, we studied the use of soft organic electronics to interface with neural tissue for both in vitro and in vivo applications. Parylene-based microelectrode arrays (MEAs) and depth probes were made, employing the conducting polymer poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) to reduce the impedance at the cell-electrode interface. In vitro, we thereby showed how to enhance the recording yield of MEAs by creating a three-dimensional model of neurospheres. We further report on the fabrication of a new biodegradable polymer shuttle for flexible depth probes based on the combination of poly(vinyl alcohol) (PVA) and poly(lactic-co-glycolic) (PLGA). In vivo, the PVA/PLGA- shuttled probes were acutely tested in mice and revealed promising electrophysiological results. More research remains necessary to evaluate its long-term function in vivo. In conclusion, our results demonstrate that bioresorbable polymers are capable of providing the required stiffness to penetrate the brain, which shows much promise for future neural applications. This work thereby shows that a long-term functional neural interface is not far from being developed.

A systematic study of the crystallization of terthiophene, chosen as a model compound, has been carried out using the thermal gradient technique. We have observed that nucleation and growth can be decoupled for organic semiconductors (OSC) crystallizing from the melt in a temperature gradient and that these conditions lead to the generation of highly textured thin films with uniaxial in-plane alignment. Furthermore, adequate gradient conditions allow the selective growth of a single polymorphic form of terthiophene. The last results obtained on terthiophene concern the orientation of the unit cell with the reciprocal vector c* normal to the substrate and the alignment of the [100] and [-100] directions parallel to the gradient direction. It is hypothesized that the geometry of the system and the temperature profile induce a preferential fast growth direction perpendicular to the gradient direction.<p>In order to validate these results, we embarked on an exploratory study of the crystallization of a set of organic semiconductors, carefully selected based on rational arguments, to evaluate the potential of the thermal gradient process as well as the required parameters for an OSC to perform adequately in this treatment. As in the case of terthiophene, nucleation and growth can be decoupled for the other organic semiconductors depending on their rate of growth. Furthermore, we have been able to reproduce on another polymorphic compound the selective growth of a single polymorphic form by applying adequate gradient conditions. We have also observed that compounds tend to orient preferentially along one of their major morphological planes parallel to the substrate, indicating a heterogeneous nucleation mechanism. A careful comparison between the different samples allowed us to confirm and complete our growth mechanism proposition. Based on the undercooling, maximal growth rate, primary and secondary nucleation rates of the compound, geometry of the system and adequate gradient parameters, a preferential alignment of the crystals along the thermal gradient direction can be achieved. Finally, we showed through this investigation and careful comparison that 2,7-didodecyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene possesses all the characteristics to be an excellent material candidate for the thermal gradient processing: low primary nucleation rate, moderate undercooling, high growth rate, platelet-like crystal growth morphology and liquid crystal phase allowing preorganization of the compound before crystallization and processing on single substrates without dewetting. Moreover, this compound is currently one of the best solution processable organic semiconductors.<p>We then investigated the directional crystallization of 2,7-dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene directly from its liquid crystal phase as a function of thermal gradient parameters (magnitude of the gradient, sample velocity) and film thicknesses in thin film geometry (spin-coated films). Again, decoupling of the nucleation and growth has been observed for crystallization processed directly from the liquid crystal phase leading to the generation of highly textured films presenting uniaxial in-plane alignments of the crystallites. Moreover, secondary nucleation spots highlighted by POM in the alignment region give a clue to elucidate the alignment mechanism. The unit cell orients with the reciprocal vector c* normal to the substrate. Moreover, POM observation tends to indicate systematic thermal cracks orientations for higher rates of displacement (25 μm.s-1) as well as a reduction of the number of domains present in the sample, suggesting a preferential alignment of the crystallites at higher rates of displacement. All our results indicate that an optimum of the quality of the aligned film is reached for thermal gradient conditions of 120 °C - 90 °C - 25 μm.s-1. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’électronique organique connaît depuis ces dernières années un fort développement. Le CEA LITEN dispose d’une technologie d’impression par sérigraphie de transistors de type N et de type P sur une même plaque, permettant de créer des circuits complémentaires. Les performances et les limitations de cette technologie ont été étudiées, l’un des objectifs principaux de cette thèse étant de réaliser une étude concernant la faisabilité d’une étiquette RFID entièrement réalisée en technologie organique imprimée. Une telle étiquette, en plus d’être flexible, possèderait un coût de fabrication extrêmement bas.Des blocs entiers couramment utilisés dans les circuits RFID et comportant jusqu’à 50 transistors sont conçus et testés, montrant des performances supérieures ou au niveau de l’état de l’art dans ce domaine. La technologie organique imprimée n’étant pas aussi mature que celle utilisée dans la filière semi-conductrice classique, une étude est également menée concernant les effets de la dispersion du procédé de fabrication et du vieillissement sur les performances des circuits. Des pistes seront ainsi définies sur les paramètres (fiabilité, mobilité dans les semi-conducteurs organiques, taille des dispositifs…) à améliorer pour permettre à l’électronique organique de venir concurrencer l’industrie du silicium. / During the past few years, the field of organic electronics has known an important development. The CEA LITEN is able to manufacture N-type and P-type screen-printed transistors on a same plastic sheet, enabling the design of complementary circuits. The performances and limitations of this technology are studied since one of this thesis’ main objectives is to determine the feasibility of a fully-printed organic RFID tag. Such a tag would be flexible and could be manufactured at an extremely low-cost. Some circuits commonly used in the RFID tags, and using up to 50 transistors, are designed and tested, showing some performances equivalent or above the reported latest developments. The organic electronics manufacturing process is not as mature as the one used in the classical silicon industry. Therefore, a study is performed concerning the effects of this process scattering, as well as the ageing, on the circuits’ performances. The main improvements (in terms of reliability, organic semi-conductor mobility, size) that can help the organic electronics in order to compete, one day, with the silicon industry, are discussed.