Les systèmes conjugués font l'objet d'un développement considérable en raison de leurs propriétés opto-électroniques qui, associées à la flexibilité des matériaux organiques, permettent de réaliser de nouveaux dispositifs électroniques. Dans ce contexte, les oligo- et polymères conjugués dérivés du fluorène et du cyclopenta[2,1-b:3',4'-b']dithiophène ont été utilisés pour élaborer des diodes électroluminescentes, des transistors à effet de champ et des cellules photovoltaïques. Ce travail de thèse porte sur la synthèse et la caractérisation de systèmes conjugués dérivés de l'indéno[1,2- b]thiophène, hétérocycle hybride entre le fluorène et le cyclopentadithiophène, et explore le potentiel de ces nouveaux matériaux pour des applications en électronique organique. Le premier chapitre bibliographique décrit différentes approches d'ingénierie moléculaire visant à contrôler les propriétés électroniques des systèmes conjugués et montre l'intérêt des dérivés du fluorène, du cyclopentadithiophène et des quelques dérivés de l'indéno[1,2-b]thiophène pour l'élaboration de dispositifs électroniques. Le deuxième chapitre est consacré à la mise au point d'une série d'oligothiophènes terminés par des motifs indéno[1,2-b]thiophène. Le transport de charge dans ces matériaux dépend clairement de la substitution des molécules. Au cours du troisième chapitre, une série d'analogues du stilbène dérivés du fluorène et de l'indéno[1,2-b]thiophène est décrite et montre des propriétés de transport de charge intéressantes comme en témoignent les performances des transistors à effet de champ correspondants. Enfin, le dernier chapitre concerne des polymères conjugués à faible gap dérivés de l'indéno[1,2- b]thiophène pour une application potentielle en photovoltaïque.

En dépit d'une amélioration remarquable de la performance des composants électroniques organiques, il y a encore un manque de compréhension théorique rigoureux sur le fonctionnement du composant. Cette thèse est consacrée à la création de modèles pratiques pour composants électroniques organiques à base physique complet, à savoir un modèle compact à base physique. Un modèle compact à base physique d'un élément de circuit est une équation mathématique qui décrit le fonctionnement du composant, et est généralement évaluée par trois critères: si elle est suffisamment simple pour être incorporé dans des simulateurs de circuits, précise pour rendre le résultat des simulateurs utile les concepteurs de circuits et rigoureux pour capturer des phénomènes physiques se produisant dans le composant. Dans ce contexte, les caractéristiques distinctives de l'injection de porteurs de charge et de transport dans les semi-conducteurs organiques sont incorporés dans les modèles avec un effort particulier pour maintenir la simplicité mathématique. L'effet concomitant sur les caractéristiques courant-tension des diodes et des transistors organiques prototypiques sont étudiés. Les méthodes d'extraction des paramètres cohérents aux modèles sont présentés qui permettent la détermination univoque des paramètres de le composant utilisé pour le fonctionnement du composant de modélisation et l'évaluation des performances de le composant et les propriétés des couches minces et des interfaces organiques. Les approches englobent le developement analytique des équations physiques, la simulation numérique à deux dimensions basé sur la méthode des éléments finis et la validation expérimentale. Les modèles compacts originaux et entièrement analytiques et des méthodes d'extraction de paramètres fournissent une compréhension fondamentale sur la façon dont le désordre énergétique dans une couche mince de semi-conducteur organique, décrit par la densité d’etats Gaussienne, affecte les caractéristiques courant-tension observables des composants.Mots-clés : Electronique organique, physique des composants électroniques, modélisation analytique, diodes, transistors à effet de champ, densité d’etats Gaussienne / In spite of a remarkable improvement in the performance of organic electronic devices, there is still a lack of rigorous theoretical understanding on the device operation. This thesis is dedicated to establishing practical models of organic electronic devices with a full physical basis, namely a physically-based compact model. A physically-based compact model of a circuit element is a mathematical equation that describes the device operation, and is generally assessed by three criteria: whether it is sufficiently simple to be incorporated in circuit simulators, accurate to make the outcome of the simulators useful to circuit designers, and rigorous to capture physical phenomena occuring in the device. In this context, distinctive features of charge carrier injection and transport in organic semiconductors are incorporated in the models with a particular effort to maintain mathematical simplicity. The concomitant effect on the current-voltage characteristics of prototypical organic diodes and transistors are studied. Parameter extraction methods consistent to the models are presented which enable unambiguity determination of device parameters used for modeling device operation and assessing device performance and properties of organic thin-films and interfaces. The approaches encompass analytical developement of physical equations, two-dimensional numerical simulation based on finite-element method and experimental validation. The original and fully analytical compact models and parameter extraction methods provide fundamental understanding on how energetic disorder in an organic semiconductor thin-film, described by the Gaussian density of states, affects the observable current-voltage characteristics of the devices.Keywords : Organic electronics, device physics, analytical modeling, diodes, field-effect transistors, Gaussian density-of-states

Cette thèse a exploré comment, en mélangeant des matériaux avec des propriétés électriques différentes, il est possible de fabriquer des transistors avec des performances accrues. Des transistors organiques à effet de champ basés sur un oligothiophène (DH4T) ont été fabriqués et optimisés jusqu’à ce que les mobilités mesurées fussent supérieures à celles observées dans des films évaporés. Ces résultats ont été obtenus par le contrôle précis des interfaces et de la vitesse d’évaporation. Des polymères de type p ont été mélangés à des polymères de type n. Chaque solution obtenue a été utilisée pour la fabrication de transistors ambipolaires. Les transistors ont été caractérisés et il a été possible de fabriquer des transistors avec des mobilités équilibrées pour chaque paire de polymères. Des transistors à effet de champ basés sur un mélange de P3HT et d’une molécule photochromique (DAE-Me) ont été fabriqués. Le courant a été mesuré pendant et entre les irradiations et il a été démontré qu’une mémoire non-volatile à multiple niveaux peut être fabriquée / This thesis explored how, by blending of materials with different electrical characteristics, it is possible to fabricate transistors with new or improved performances. First, organic field-effect transistors based on a single oligothiophene, DH4T, were fabricated and optimized until the measured mobility was superior to that observed in vacuum deposited films. This was achieved through careful tuning of the interfaces using self-assembled monolayers and by strong control of the solvent- evaporation rate. P-type polymers were blended with an n-type polymer. Each resulting solution was used for the fabrication of ambipolar field-effect transistors. These devices were characterized and it was found that for each pair of p- and n-type polymers, a transistor with balanced mobilities and high Ion/Ioff could be fabricated. Finally field-effect transistors based on a blend of P3HT and a photoswitchable diarylethene (DAE-Me) were fabricated. The current was measured during and between irradiations and it was demonstrated that a non-volatile multilevel memory could be fabricated.

Ce travail porte sur l’étude des interfaces semi-conducteur/diélectrique et semiconducteur/électrode dans les transistors organiques à effet de champ (OFETs). En effet, le transport et l’injection des charges se trouvent affectés par la qualité de ces interfaces.L’objectif est donc la compréhension de l’influence des caractéristiques morphologiques(rugosité, énergie de surface) et électroniques (travail de sortie) du diélectrique ou del’électrode sur les performances des OFETs.Dans un premier temps, des OFETs sur substrats de silicium à base de pentacène ontété fabriqués et les interfaces traitées à l’aide de monocouches auto-assemblées (SAMs). Legreffage des SAMs tels que l’OTS8 ou l’OTS, en neutralisant les groupes hydroxyles et enprésentant une surface apolaire, conduit à une réduction de la densité de pièges en surface. Deplus, les pièges présents dans la couche active et dus aux joints de grains sont moinsnombreux grâce à une croissance 2D en larges grains du pentacène sur OTS. Cesmodifications de l’interface sont mises en évidence par une réduction de la tension de seuil,de la pente sous le seuil ainsi que de l’hystérésis. Le transport ainsi favorisé des chargespermet une amélioration de la mobilité jusqu’à 0,6 cm2/Vs.Nous nous sommes également intéressés à l’interface semi-conducteur/électrode et àsa modification par des SAMs fluorés tels que le PFBT, le PFHT et le PFDT. L’influence desSAMs est présente tant au niveau morphologique, en améliorant la continuité de croissance dupentacène à la jonction diélectrique/électrode qu’au niveau électronique en augmentant letravail de sortie de l’électrode. La réduction de la résistance de contact RC souligne clairementces modifications et conduit à des mobilités maximales de 0,6 cm2/Vs. Par la suite, nousavons choisi de modifier ces deux interfaces dans un même dispositif, ce qui nous a permisd’atteindre des mobilités moyennes élevées de 1,3 cm2/Vs.La dernière partie de ces travaux a été dédiée à la fabrication d’OFETs basse tension àbase de pentacène ou de C60 sur substrats de verre. Le caractère basse tension de cesdispositifs est rempli grâce à l’utilisation d’un diélectrique composé de deux couches : undiélectrique à forte constante diélectrique, l’oxyde d’aluminium, et une fine couche d’undiélectrique à faible constante diélectrique comme les SAMs (C8-PA ou C18-PA) ou lespolymères (PMMA ou PVT). Cette combinaison permet d’atteindre des mobilités(m = 0,4 cm2/Vs) encourageantes pour des OFETs de type n ainsi que de faibles hystérésis(<0,1 V) dans le cas d’OFETs de type p. / The charge transport and injection are strongly dependant of the semiconductor/dielectric and semi-conductor/electrode interfaces quality. Therefore, this studyfocuses on these interfaces in organic field effect transistors (OFETs). The goal is theunderstanding of the relation between the dielectric (roughness, surface energy) or electrode(work function) characteristics and the OFETs performances.First, we investigate the influence of the interfaces modification by SAMs (SelfAssembled Monolayers) in pentacene based OFETs on silicon substrates. Due to the SAMsgrafting such as OTS8 or OTS, the hydroxyls groups are neutralized and the dielectric showsan apolar surface leading to the reduction of the charge traps density. Moreover, a 2Dpentacene growth with large grains on OTS surface contributes to the decrease of the chargetraps density in the bulk. The threshold voltage, subthreshold swing and hysteresis decreasesgive rise to these modifications. The improvement of the charge transport allows us to reachmobility up to 0.6 cm2/Vs.Then, we investigate the electrode surface treatment by fluorinated SAMs such asPFBT, PFHT or PFDT. The better pentacene layer continuity and the increased electrodework function emphasize the morphologic and electronic influences of the SAMs. Thesemodifications lead to the contact resistance reducing and in consequence to an enhancedmobility up to 0.6 cm2/Vs. Finally, devices with a combination of the interfaces treatmentpresent high mean mobility of 1.3 cm2/Vs.On the final part of this study, we concentrate on low voltage C60 or pentacene basedOFETs on glass substrates. Using a dielectric composed of a high-k dielectric as AlOx and athin layer of a low-k dielectric such as phosphonic SAMs (C8-PA or C18-PA) or polymers(PMMA or PVT) allow us to achieve this low voltage condition. The mobility obtained withn-type OFETs (m = 0.4 cm2/Vs) and the small hysteresis (<0.1 V) in p-type OFETs arepromising.

Les transistors organiques à effet de champ (OFETs) ont aujourd’hui des performances qui permettent d’envisager la réalisation de circuits électroniques plus ou moins complexes. Cependant, ces dispositifs doivent encore être améliorés en termes de performance et de stabilité sous air avant d’être commercialisés. Le premier objectif de cette thèse est de réaliser des OFETs stables à l’air avec des performances atteignant l’état de l’art, tout en simplifiant leur procédé de fabrication. Le dinaphtho[2,3-b:2',3'-f]thieno[3,2-b]thiophene (DNTT),petite molécule référence, a été choisie comme couche active des dispositifs pour chaque étude. En insérant une couche interfaciale d’oxyde entre le matériau de contact et le SCO de nos OFETs, une étude a été menée sur la réduction de la résistance de contact, qui affecte la mobilité effective des porteurs de charge mais peut également compliquer l’élaboration de circuits. Dans le but de réaliser des OFETs sur substrats flexibles opérant à de faibles tensions,un travail a été réalisé sur le dépôt d’un diélectrique à forte capacité dont la surface a ensuite été passivée et lissée par un polymère. Les transistors de type p obtenus présentent des performances hautes en termes de mobilité (2,4 cm2.V-1.s-1) et de ratio des courant On/Off (>106) avec une faible tension de seuil et aucune hystérésis. Le second objectif a été de réaliser des simulations sur ces OFETs optimisés avec le logiciel GoldenGate dans l’environnement Cadence Virtuoso®, pour obtenir les paramètres nécessaires à l’élaboration d’un circuit amplificateur. Enfin, des composants passifs (résistances) ont été développés et un circuit détecteur d’amplitude sur substrat flexible a été élaboré et testé. / Organic field effect transistors (OFETs) have huge potential in the applications of future electronics, such as flexible circuits and displays or medical application. However, stability and performances of OFETs need to be improved, so as to reach the real market applications.First objective of this work is to realize air stable OFETs with state of the art performance. To that end, several approaches have been applied with special focus on process simplification. Small molecule, dinaphtho[2,3-b:2',3‘-f]thieno[3,2-b]thiophene (DNTT) has been chosen as the active layer for all devices studies. Metal electrodes in combination with oxide interfacial layers were investigated to decrease the contact resistance, which not only affects eventual mobility that can be achieved but also complicates circuit design. A systematic study was carried out to fabricate high capacitance dielectric layer and passivating the surface with proper interfacial layers. These approaches allowed to obtain high performance OFET on plastic substrate with high mobility (2.4cm2.V-1.s-1), high current on/off ratio (> 106), low threshold voltage and no hysteresis As the second objective, OFET devices were simulated using GoldenGate (with Cadence Virtuoso® environment) to derive relevant parameters, which helped to design amplifier circuit. Finally, passive component (resistance) has been developed and final circuit was realized and characterized.

Le transport de charges dans une série de copolymères à faible bande interdite basés sur l'alternance de motifs riches en électrons (thiophène, thiénothiophène) et d'unités déficients en électrons (benzothiadiazole) et dans leurs mélanges avec un dérivé du fullerène (PCBM-C60) a été étudié. Les polymères sont différenciés par la structure moléculaire de leur coeur conjugué et par la nature, la position et la densité de leurs chaines latérales. Dans les polymères purs, la mobilité a été étudiée en fonction de la densité de charges par le biais de l'analyses de caractéristiques électriques de transistors à effet de champ et de dispositifs à un seul type de porteurs dont le courant est limité par la charge d'espace. En utilisant le modèle de transport de charges développé par Vissenberg et al., nous avons pu estimer le degré de désordre dans le film organique et corréler le transport de charge avec le degré d'ordre structural mesuré par la diffraction des Rayons-X. Ces polymères ont été conçus pour être utilisés dans la couche active des cellules solaires organiques. Grâce à l'étude du transport de charges dans les mélanges à différents ratios massiques polymères:fullerène, nous avons mis en évidence l'effet considérable de la structure moléculaire sur le ratio optimal polymère:fullerène. Aussi, nous avons pu montrer que la nature des chaînes latérales joue un rôle important dans l'obtention d'un chemin de percolation optimal à la conduction des électrons.

Le transport de charges dans une série de copolymères à faible bande interdite basés sur l'alternance de motifs riches en électrons (thiophène, thiénothiophène) et d‘unités déficients en électrons (benzothiadiazole) et dans leurs mélanges avec un dérivé du fullerène (PCBM-C60) a été étudié. Les polymères sont différenciés par la structure moléculaire de leur coeur conjugué et par la nature, la position et la densité de leurs chaines latérales. Dans les polymères purs, la mobilité a été étudiée en fonction de la densité de charges par le biais de l’analyses de caractéristiques électriques de transistors à effet de champ et de dispositifs à un seul type de porteurs dont le courant est limité par la charge d’espace. En utilisant le modèle de transport de charges développé par Vissenberg et al., nous avons pu estimer le degré de désordre dans le film organique et corréler le transport de charge avec le degré d’ordre structural mesuré par la diffraction des Rayons-X. Ces polymères ont été conçus pour être utilisés dans la couche active des cellules solaires organiques. Grâce à l’étude du transport de charges dans les mélanges à différents ratios massiques polymères:fullerène, nous avons mis en évidence l’effet considérable de la structure moléculaire sur le ratio optimal polymère:fullerène. Aussi, nous avons pu montrer que la nature des chaînes latérales joue un rôle important dans l’obtention d’un chemin de percolation optimal à la conduction des électrons. / The charge transport in a series of low band-gap copolymers based on the alternation of electron-rich units (thiophene, thienothiophene) and electron-deficient units (benzothiadiazole) and in their blends with a fullerene derivative (PCBM-C60) is investigated. The polymers are differentiated by the molecular structure of the conjugated backbone and by the nature, position and density of alkyl side chains. In pristine polymer films, the hole mobility has been investigated as a function of charge carrier density by analyzing the electrical response of field-effect transistors and single carrier spacecharge- limited current devices. By using the charge transport model developed by Vissenberg et al., we could quantify the structural disorder for the different polymers and correlate their degree of anisotropy with structural data obtained by Grazing Incidence Wide Angle X-ray diffraction. These polymers have been used in the active layer of organic solar cells. The ambipolar chargetransport was investigated in the corresponding polymer:fullerene blends. The results show that the side chains play a major role on the polymer: fullerene interactions and controls the optimal weight ratio. Also, we have shown that the nature of the side chains has a strong impact in the optimal electron conducting pathways.

La conception de cellules solaires organiques de type hétérojonction en volume a été proposée pour la première fois en 1990. Ces dispositifs sont composés d’un mélange de polymères conjugués, donneurs d’électrons, et de fullerènes, accepteur d’électrons, et ont pour la première fois permis d’atteindre un rendement de conversion énergétique significatif (de l’ordre de 2%) avec des semi-conducteurs organiques. Dans ce contexte, cette thèse a porté sur l'étude approfondie d’une série de molécules donneurs d’électrons de forme d’haltère, dont le groupement planaire est l’unité triazatruxène (TAT) et le cœur déficient en électrons le thienopyrroledione (TPD). Les molécules de cette série se différencient par la nature des chaînes alkyles, attachées à l’unité centrale et aux unités TAT. Plus précisément, la relation entre la nature des chaînes latérales et les propriétés moléculaires et thermiques de ces molécules en forme d’haltère ont été étudiées en détail. L'impact des chaînes alkyles sur la morphologie en film mince à l’échelle nanométrique a également été étudié. Afin de mieux comprendre l’influence de la microstructure des films minces (constitués soit uniquement des molécules donneuses soit de mélanges molécules/fullerènes), le transport de charge dans le plan du film et perpendiculairement au plan ont été mesurées en fonction de la phase (amorphe, cristalline, …) du matériau. Des cellules solaires BHJ en mélange avec le dérivé de fullerène ont également été réalisées. / The prospective conception of electron-donor/electron-acceptor (D/A) bulk heterojunction solar cells was first reported in 1990s, which blended the semiconducting polymer with fullerene derivatives, enhancing the power conversion efficiency. Since then, interests on this domain has been increasing continuously, and the efficiencies of BHJ solar cells have been increased dramatically. In this context, this thesis focuses on the study of a series of dumbbell-shaped small molecule donors, based on a highly planar unit called triazatruxene. The only difference between those molecules is the side-chains attached to central units and TAT units. As a consequence, the relationship between side chains nature and optoelectronic and structural properties of our TAT-based dumbbell-shaped molecular architecture will be investigated in detail. The impact of the alkyl chains on the molecular and thin film properties was also studied, with a particular emphasis put on microstructure and charge transport aspects. In-plane and out-of-plane charge carrier transport, with pure molecules and blend with fullerene, are measured in different systems. BHJ solar cells in blend with fullerene derivatives were also realized.

La structure chimique des semiconducteurs organiques utilisés dans les cellules photovoltaïques à base d’hétérojonction en volume peut fortement influencer les performances du dispositif final. Pour cette raison, une meilleure compréhension des relations structure-propriétés demeure cruciale pour l’amélioration des performances. Dans ce contexte, cette thèse fait état d'études approfondies du transport des charges, de la morphologie et des propriétés photovoltaïques sur de nouveaux copolymères à faible bande interdite. En premier lieu, l'impact de la position des chaînes alkyles sur les propriétés opto-électroniques et morphologiques a été étudié sur une famille de polymères. Les mesures du transport de charges ont montré que la planéité du squelette du copolymère influe sur l’évolution de la mobilité des charges avec la concentration de porteurs libres. Ce comportement suggère que le désordre énergétique électronique est fortement impacté par les angles de torsion intramoléculaire le long de la chaîne conjuguée. Un second copolymère à base d'unités accepteur de [2,1,3] thiadiazole pyridique, dont les niveaux d’énergie des orbitales frontières sont optimales pour l’application photovoltaïque, a ensuite été étudié. Les performances obtenues en cellule photovoltaïque sont très inférieures aux attentes. Des analyses de la morphologie et du transport de charge ont révélé que l’orientation des lamelles cristallines est défavorable au transport perpendiculaire au film organique et empêche ainsi une bonne extraction des charges photo-générées. Enfin, les propriétés opto-électroniques et photovoltaïques de copolymères fluorés ont été étudiées. Dans ce cas, les atomes de fluor favorisent la formation de lamelles orientées favorablement pour le transport. Ces bonnes propriétés nous ont permis d'atteindre un rendement de conversion de puissance de 9,8% avec une simple hétérojonction polymère:fullerène. / The chemical structure of organic semiconductors that are utilized in bulk heterojunction photovoltaic cells may strongly influence the final device performances. Thus, better understanding the structure-property relationships still remains a major task towards high efficiency. Within this framework, this thesis reports in-depth material investigations including charge transport, morphology and photovoltaic studies on various novel low band-gap copolymers. First, the impact of alkyl side chains on the opto-electronic and morphological properties has been studied on a series of polymers. Detailed charge transport investigations showed that a planar conjugated polymer backbone leads to a weak dependence of the charge carrier mobility on the carrier concentration. This observation points out that the intra-molecular torsion angle contributes significantly to the electronic energy disorder. Solar cells using another novel copolymer based on pyridal[2,1,3]thiadiazole acceptor unit have been studied in detail next. Despite the almost ideal frontier molecular orbital energy levels, this copolymer did not perform in solar cells as good as expected. A combined investigation of the thin film microstructure and transport properties showed that the polymers self-assemble into a lamellar structure with polymer chains being oriented preferentially “edge-on”, thus hindering the out-of-plane hole transport and leading to poor charge extraction. Finally, the impact of fluorine atoms in fluorinated polymers on the opto-electronic and photovoltaic properties has been investigated. In this case, the presence of both flat-lying and standing lamellae enabled efficient charge transport in all three directions. As a consequence, good charge extraction was possible and allowed us to achieve a maximum power conversion efficiency of 9.8%.