Les liquides ioniques sont des fluides non volatiles, constitués de cations et d’anions, qui sont conducteurs ioniques, isolants électriques, et peuvent avoir des valeurs de capacité très élevées. Ces liquides sont susceptibles non seulement de remplacer les électrolytes solides, mais également de susciter des champs électriques intenses (>SI{10}{megavoltpercentimetre}) au sein d’une couche dite double couche électronique (electric double layer, EDL) à l’interface entre le liquide et le matériau sur lequel il est déposé. Ceci conduit à une injection de porteurs de charge bidimensionelle avec des densités allant jusqu’à SI{e15}{cm^{-2}}. Cet effet de grille remarquablement fort des liquides ioniques est réduit en présence d’états piégés ou de rugosité de surface. À cet égard, les dicalchogénures de métaux de transitions, de très haute qualité cristalline et atomiquement plats, font partis des semi-conducteurs les plus adaptés aux grilles EDL.Nous avons réalisé des transistors à effet de champ avec des EDL dans des nanotubes multi-couches de ce{WS2}, avec des performances comparables à celles de transistors EDL sur des ilots de ce{WS2}, et meilleurs que celles de nanotubes de ce{WS2} avec une grille solide. Nous avons obtenu des mobilités allant jusqu’à SI{80}{squarecentimetrepervoltpersecond} pour les porteurs n et p, et des ratios de courants on/off dépassant SI{e5}{} pour les deux polarités. Pour de forts dopages de type électron, les nanotubes ont un comportement métallique jusqu’à basse température. De plus, utiliser un liquide ionique permet de créer une jonction pn de manière purement électrostatique. En prenant avantage de cet effet, nous avons pu réaliser un transistor photoluminescent dans un nanotube.La possibilité de susciter de très forte densités de charges donne la possibilité d’induire des phases métalliques ou supraconductrices dans des semi-conducteurs a large bande interdite. Nous avons ainsi réussi à induire par effet de champ une phase métallique à basse température dans du diamant intrinsèque avec une surface hydrogénée, et nous avons obtenu un effet de champ dans du silicone dopé métallique.Les liquides ioniques offrent beaucoup d’avantages, mais leur champ d’application est encore réduit par l’instabilité du liquide, ainsi que par les courants de fuites et l’absorption graduelle d’impuretés. Un moyen efficace de s’affranchir de ces inconvénients, tout en conservant la possibilité d’induire de très fortes densités de porteurs, est de gélifier le liquide ionique. Nous sommes allés plus loin en fabriquant des gels ioniques modifiés, avec les cations fixés sur une seule surface et les anions libres de se mouvoir au sein du gel. Cet outil nous a permis de réaliser une nouvelle diode à effet de champ de faible puissance. / Ionic liquids are non-volatile fluids, consisting of cations and anions, which are ionically conducting and electrically insulating and hold very high capacitances. These liquids have the ability to not only to replace solid electrolytes, but to create strongly increased electric fields (>SI{10}{megavoltpercentimetre}) in the so-called electric double layer (EDL) on the electrolyte/channel interface, which leads to the injection of 2D charge carrier densities up to SI{e15}{cm^{-2}}. The remarkably strong gate effect of ionic liquids is diminished in the presence of trapped states and roughness-induced surface disorder, which points out that atomically flat transition metal dichalcogenides of high crystal quality are some of the semiconductors best suited for EDL-gating.We realised EDL-gated field-effect transistors based on multi-walled ce{WS2} nanotubes with operation performance comparable to that of EDL-gated thin flakes of the same material and superior to the performance of backgated ce{WS2} nanotubes. For instance, we observed mobilities of up to SI{80}{squarecentimetrepervoltpersecond} for both p- and n-type charge carriers and our current on-off ratios exceed SI{e5}{} for both polarities. At high electron doping levels, the nanotubes show metallic behaviour down to low temperatures. The use of an electrolyte as topgate dielectric allows the purely electrostatic formation of a pn-junction. We successfully fabricated a light-emitting transistor taking advantage of this utility.The ability of high charge carrier doping suggests an electrostatically induced metal phase or superconductivity in large gap semiconductors. We successfully induced low temperature metallic conduction into intrinsic diamond with hydrogen-terminated surface via field-effect and we observed a gate effect in doped, metallic silicon.Ionic liquids have many advantageous properties, but their applicability suffers from the instability of their liquid body, gate leakage currents and absorption of impurities. An effective way to bypass most of these problems, while keeping the ability of ultra-high charge carrier injection, is the gelation of ionic liquids. We even went one step further and fabricated modified ion gel films with the cations fixed on one surface and the anions able to move freely through the film. With this tool, we realised a novel low-power field-effect diode.

Un des enjeux principaux de l’électronique organique est le développement de circuits associant des transistors organiques à effet de champ (OFETs) de type p et de type n stables à l’air ainsi que leur fabrication par voie liquide. Si de nombreux matériaux de type p existent, les exemples de matériaux de type n stables sont plus rares. L’objectif de ce travail de thèse a ainsi été de concevoir, de synthétiser, et de caractériser de nouvelles molécules π-conjuguées électrodéficientes solubles afin de les intégrer dans des transistors organiques à effet de champ de type n (OFETs) stables à l’air. Dans ce but, le coeur aromatique d’un pigment reconnu très stable chimiquement, la triphénodioxazine (TPDO), a été fonctionnalisé avec des fonctions solubilisantes et des groupements électroattracteurs pour moduler ses propriétés de solubilité et augmenter son affinité électronique. Les nombreuses variations structurales réalisées ont conduit à une famille complète de dérivés électrodéficients. Les nouveaux composés, caractérisés à l’état liquide et solide, ont été intégrés dans des OFETs et ont démontré, pour la plupart, un transport de charges négatives efficace. Au-delà de la rationalisation des résultats obtenus lors des synthèses, des caractérisations des matériaux et des performances des dispositifs électroniques, un dérivé tétracyané a rempli l'ensemble du cahier des charges initial (solubilité, mobilité de type n, stabilité à l’air), ce qui valide la démarche adoptée. / One the main challenges of organic electronics is the fabrication of electronic circuits combining p-type and n-type organic field effect transistors which can be processed by liquid route and are stable in air. Even though many efficient p-type organic materials have been reported, the examples of n-type analogues are rare. The aim of this PhD research work was therefore to design, synthesize and characterize new soluble and electron-acceptor π-conjugated molecules and determine their ability to transport electrons in organic field effect transistors (OFETs) under air. In this aim, the aromatic core of a well-known stable pigment, the Triphenodioxazine (TPDO), was functionalized with solubilizing groups and electron-withdrawing functions to tune the solubility and to yield a higher electron affinity. The various structural modifications achieved provided a complete family of electro-deficient materials. The new compounds were characterized in liquid and solid state, and then integrated in OFETs. Most of them led to an efficient negative charge carrier transport. Hereafter of the rationalization of the results during synthesis, characterization of new materials and physical characterizations of devices, a tetracyano derivative has fulfilled the initial project specifications in terms of solubility, electron mobility and air stability of the performances

Le travail réalisé durant cette thèse s’est axé sur la compréhension des mécanismes de transport de charges impliqués dans l’électronique organique ainsi que sur l’ingénierie des propriétés semiconductrices d’interfaces supramoléculaires hybrides. Tout d’abord, l’origine intrinsèque des propriétés de transport de charges a été étudiée dans de petites molécules semiconductrices, similaires en structure chimiques, mais présentant des propriétés électriques nettement différentes. Puis, les propriétés électroniques de matériaux 2D ont été modulées à l’aide de monocouches auto-assemblées induisant des propriétés de dopage antagonistes. Enfin, des pérovskites hybrides ainsi que des petites molécules semiconductrices ont été utilisées comme matériaux actifs dans la détection d’oxygène et d’humidité, respectivement, formant alors des détecteurs à haute performance. L’ensemble de ces projets utilise les principes de la chimie supramoléculaire dans leur réalisation. / The work realized during this thesis was oriented toward the comprehension of the charge transport mechanism involved in organic electronics, and on the engineering of the semiconducting properties of hybrid supramolecular interfaces. Firstly, the intrinsic origin of the charge transport properties was studied for two semiconducting small molecules which are similar in terms of chemical structure but exhibit different electrical properties. Secondly, the electronic properties of 2D material were modulated with the help of self-assembled monolayers inducing antagonist doping properties. Finally, hybrid perovskites and semiconducting small molecules were used as active materials in oxygen and humidity sensing respectively, forming high-performance sensors. All the project employed the principles of the supramolecular chemistry in their realisation.

Cette thèse présents plusieurs techniques de caractérisation appliqués à diverses matières organiques dans le but de démêler leur structure-propriétés relation once encapsulés comme matériaux actifs dans les dispositifs de OFET. Un soin particulier est alors dédié aux méthodes de caractérisation structurale (2D-GIXRD, XRR et XRD) à la fois de source de laboratoire classique et de rayonnement de synchrotron. Divers matériaux polymères organiques, compris de p- et n-type de petites molécules et polymères en solution ou déposés par sublimation sous vide sont étudiées. En particulier, l'étude de OFET basée sur deux fonctionnalisés isomères péryléne ne différant que par la forme des alkyle côté chaînes démontre comment la nature ramifié et asymétrique des chaînes peut conduire à une amélioration de la performance électrique avec un simple traitement thermique post-dépôt, tandis que la fabrication de dispositifs ambipolaire polymères au moyen de la technique Langmuir-Schaefer souligne l'importance de la méthode de dépôt sur l'agencement de la matière sur la surface du substrat. Une approche inhabituelle, nommé enquête structurelle in_situ et en temps réel, est aussi présenté pour évaluer les modifications structurelles dans les films minces organiques subissent un processus particulier. Plus précisément, la réponse de la structure des films minces de pentacene à l’application de VSG et VSD au OFET et des films minces dérivés de TTF à la variation d’humidité ont été étudiés. / This thesis presents multiple characterization techniques applied to various organic materials with the ultimate goal of unraveling their structure-properties relationship once encapsulated as active materials in OFETs devices. Particular care is then dedicated to the structural characterization methods (2D-GIXRD, XRR and XRD) both from classical laboratory source and from synchrotron radiation. Various organic materials, comprising p- and n-type small molecules and polymers deposited from solution or by vacuum sublimation are investigated. In particular, the study on OFETs based two functionalized perylene isomers differing only in the shape of the alkyl side-chians demonstrates how the branched and asymmetric nature of the chains can lead to an improvement of the electrical performance with a simple post-deposition thermal treatment, while the fabrication of ambipolar polymeric devices by means of Langmir-Schaefer technique highligts the importance of the deposition method on the arrangement of the material on the substrate surface. A more unusual approach, named in-situ and real-time structural investigation, is also presented to evaluate structural modifications in organic thin films undergoing a particular process. Specifically, the structural responce of pentacene thin films to the application of VSG and VSD to the OFET and of TTF derivatives thin films to the variation of humidty were investigated.

Ce mémoire de thèse traite de la fiabilité des circuits intégrés monolithiques en Arséniure de Gallium pour l'amplification de puissance micro-ondes a bord des satellites de télécommunications et d'observation. L'objectif de ce travail est de déterminer des règles de réduction des contraintes (en termes de température, courant, tension, puissance) appliquées aux circuits micro-ondes. La première partie énonce les notions fondamentales de la fiabilité des composants en Arséniure de Gallium suivis d'une synthèse des principaux mécanismes de défaillances des transistors à effet de champ en Arséniure de Gallium. Le second chapitre propose une méthodologie permettant l'évaluation de la fiabilité des circuits intégrés à semi conducteur basée sur la définition des véhicules de test et sur la mise en oeuvre d'essais de fiabilité appropriés. A partir des résultats obtenus lors des essais de stockage à haute température et de vieillissement sous contraintes électriques statiques, la fiabilité de la technologie est évaluée. Cette partie fait l'objet du troisième chapitre. Nous validons dans le quatrième chapitre l'application considérée (l'amplification de puissance en bande X) au travers d'essais de vieillissement sous contraintes électriques dynamiques. Le mécanisme de dégradation activé lors du fonctionnement du transistor en amplification de puissance est dû à la multiplication des porteurs par ionisation par impact. A partir de cette analyse, une méthodologie alliant la simulation électrique non-linéaire avec des essais de vieillissement accéléré de courte durée est dégagée. Cette méthodologie permet d'évaluer la fiabilité des transistors de puissance en Arséniure de Gallium dés le stade de la conception des équipements.

L'objectif du travail présenté dans ce mémoire est de définir une méthode rigoureuse de conception d'oscillateurs à faible bruit de phase à base de transistors à effet de champ (MESFET, HEMT et HEMT pseudomorphique) dans le cas où le transistor et le résonateur sont simultanément refroidis à des températures cryogéniques. Dans une première partie, nous présentons une caractérisation électrique complète des différents types de TEC à la température de l'azote liquide. Nous insistons particulièrement sur les mécanismes de piègeage-dépiègeage sur des centres profonds et nous proposons une méthode permettant de s'affranchir du phénomène de collapse qui est l'inconvénient majeur au fonctionnement du composant refroidi. Nous avons pu alors, à partir de mesures de paramètres S et impulsionnelles, extraire un modèle fort signal pour chaque transistor. Dans une deuxième partie, nous étudions les mécanismes de conversion du bruit basse fréquence en bruit de phase dans les oscillateurs à base de TEC. Nous examinons tout d'abord l'influence du signal microonde sur l'amplitude et la forme des spectres de bruit basse fréquence. Nous analysons ensuite les fluctuations de fréquence de l'oscillateur à partir du produit du bruit basse fréquence du TEC et du facteur de pushing. L'incapacité de cette méthode pour des tensions de polarisation de grille où le facteur de pushing décroît jusqu'à la valeur nulle est alors clairement montré. En conséquence, nous présentons un nouveau modèle non-linéaire de TEC utilisant deux sources de bruit non corrélées rendant compte des effets distribués le long de la région active du composant. La dernière partie de ce mémoire est consacrée à la réalisation et à la caractérisation d'un oscillateur cryogénique à base de TEC.

Ce travail concerne les effets de champ magnétique sur les arborescences de zinc et de fer obtenues par électrodéposition en cellule fine et les propriétés magnétiques des arborescences de fer. Pour le zinc et sous champ magnétique normal, les changements de morphologie macroscopiques variés sont expliqués par l'action mécanique sur l'agrégat en croissance de convections fluides induites par la force de Lorentz. Un faible effet est observé à l'échelle microscopique mais pas sur la structure cristalline. Un champ plan n'influence que faiblement la croissance. Pour le fer, un champ magnétique normal a un effet faible. Un champ plan transforme une morphologie de symétrie circulaire en une morphologie à deux axes de symétrie perpendiculaires, une parallèle au champ. Ceci est expliqué par la minimisation des énergies Zeeman et dipolaires. Il est montré que les propriétés magnétiques sont tres sensibles à la morphologie. Une anisotropie et une coercivité inhabituelles sont observées.

En dépit de progrès impressionnants dans les performances des dispositifs électroniques organiques, il n'existe toujours pas de modèle théorique complet pour décrire leur mode opératoire. Cette thèse se propose d'établir une description théorique opérationnelle pour ces dispositifs, avec en ligne de mire leur modélisation physique et compacte. Des exemples typiques de structure de diodes et de transistors organiques avec différentes architectures ont été étudiés, avec une attention constante pour présenter les effets du transport et de l'injection des porteurs de charge sur les caractéristiques observables des dispositifs. Une attention particulière est donnée à l'intégration de ces modèles dans des outils de simulation de circuit, mettant ainsi en relation le dispositif isolé et son intégration dans un circuit. Les différentes approches comprennent la modélisation de circuit par spectroscopie d'impédance, le développement analytique d'équations physiques, la simulation numérique bi-dimensionnelle par éléments finis et leur validation expérimentale. Les résultats apportent une compréhension significative des effets des pièges et de la barrière d'injection sur les caractéristiques courant-tension. Nous proposons des modèles compacts entièrement analytiques pour les diodes redresseuses et les transistors à effet de champ dont la fiabilité numérique et expérimentale est prouvée.

Ce travail est une contribution à la conception et à la réalisation d'oscillateurs intégrés monolithiques micro-ondes (MMIC) à base de Transistor à Effet de Champ à Grille Schottky (MESFET) GaAs ou de Transistor Bipolaire à Hétérojonction (TBH) GaAlAs/GaAs. Nous faisons tout d'abord un rappel sur les principales notions caractéristiques de la fonction oscillateur (notamment conditions d'oscillation et bruit de phase) suivi d'un état de l'art de cette fonction en technologie MMIC. Dans la deuxième partie, nous présentons les différentes techniques de CAO linéaires et non-linéaires utilisées pour la conception des oscillateurs. Avantages et inconvénients sont dégagés. Ceci nous conduit à définir une procédure générale de conception d'oscillateurs en régime de forts signaux basée sur la méthode d'équilibrage harmonique. L'oscillateur est traité sous la forme d'un amplificateur en réflexion avec optimisation du cycle de charge intrinsèque au transistor et de l'impédance de charge. Cette méthodologie est ensuite appliquée à la conception d'un oscillateur MMIC à base de MESFET. La comparaison simulation-mesure nous conduit à constater les limites des techniques de caractérisation habituellement utilisées permettant l'extraction de modèle non linéaire de FET. Elle permet de montrer également l'inadéquation des modèles non-linéaires classiques de FET ne prenant pas en compte le phénomène d'autopolarisation et la nature distribuée de la grille. Une caractérisation complète des oscillateurs est réalisée incluant mesure et simulation du bruit de phase. La dernière partie présente la conception et la réalisation d'oscillateurs MMIC à base de TBH. L'objectif est d'évaluer ici par rapport à la fonction oscillateur, une technologie MMIC à TBH GaAlAs/GaAs

Thèse doctorat : Électronique : Lille 1 : 2003. / N° d'ordre (Lille 1) : 3405. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.