Organic electronics is a rapidly evolving field with vast number of applications having high potential for commercial success. Although a great progress has been made, many organic electronic applications: organic light-emitting diodes (OLEDs), organic fieldeffect transistors (OFETs), organic solar cells, etc; still require further optimization to fulfill the requirements for successful commercialization. For many applications, available at this time organic materials do not provide satisfactory performance and stability, which hinders the possibility of a large-scale production. Therefore, the key ingredient needed for a successful improvement in performance and stability of organic electronic devices is in-depth knowledge of physical and chemical properties of molecular and polymeric materials. Since many applications encompass several thin film layers made of organics, and often also inorganic materials, the understanding of both organic-organic and hybrid interfaces is yet another important issue necessary for the successful development of organic electronics. The research presented in this thesis is based mainly on photoelectron spectroscopy, which is an experimental technique especially suited to study both surfaces and interfaces of materials. In the thesis, the properties of one of the most successful polymeric materials, poly(3,4-ethylenedioxythiophene), often abbreviated as PEDOT, have been extensively studied. The research was done in close cooperation with an industrial partner – AGFA Gevaert, Belgium. The study was focused on the exploration of the intrinsic properties of the material, such as stability, morphology and conductivity. In addition, however, a possibility of alternation of these properties was also explored. This thesis reports also about investigations of the properties of various organic-organic and hybrid interfaces. The energy level alignment at such interfaces plays important role in charge injection and performance of the thin film organic-based devices. The conditions for different energy level alignment regimes at the various interfaces have been studied. The studies on interfaces were performed in close collaboration with the R&D division of DuPont Corporation, USA. This work led to the significant advances in understanding of the interface energetics and properties of industryrelevant organic materials, as represented not only by published scientific papers, but also patent applications.

Dans cette thèse sont développées les synthèses et caractérisations de nouveaux polymères conjugués pour des applications dans l’électronique organique. Ces polymères ont été synthétisés via des réactions de polymérisation sans utilisation de métaux de transition. Des polyazomethines à base de carbazole ont ainsi été synthétisés par polycondensation entre des carbazole portant des fonctions amine et aldéhyde en positions 2,7 et 3,6. Leurs propriétés optiques et électroniques ont été étudiées en fonction de la position des fonctions imines ainsi formées. Un comonomère de type EDOT a ensuite été intégré dans le polymère et l’impact de ce comonomère sur les propriétés du copolymère ainsi formé a été étudié.Des polymères à base d’acide squarique et croconique ont ensuite été synthétisés. En faisant varierles conditions de synthèse, les propriétés optoélectroniques ont pu être contrôlées, permettant d’obtenir des composés présentant une émission blanche, qui ont ensuite été intégrés en tant que couche active dans des dispositifs de type OLED.Enfin, des polymères plus originaux ont été étudiés, utilisant des réactions de polymérisation originale, permettant par exemple la formation de benzobisthiazole in situ. D’autres polymères ont été synthétisés en intégrant dans leur chaine des monomères originaux, comme la tetrazine ou la divanilline. Les propriétés optoélectroniques de ces composés ont ensuite été étudiées en vue deleur éventuelle intégration dans des dispositifs. / In this work, synthesis and characterizations of new conjugated polymers are described.These polymers, developed for their integration into devices, have been synthesized via transitionmetalfree polymerizations. Carbazole based polyazomethines have been synthesized via polycondensation reactions between di-substituted carbazoles, bearing amino and formyl functionsin positions 3,6 or 2,7. Optical and electronical properties of such polymers have been studieddepending of the linkage position. A comonomer EDOT has then been integrated into the polymer chain, and impact of such insertion has been studied. Squaric and croconic acid base polymers have also been synthesized. By varying polymerization conditions, optoelectronic properties have been tuned, leading to the formation of polymers exhibiting a white emission. These polymers have then been integrated into OLED, as the active layer. Finally, more original polymers have been synthesized, using more original reactions or monomers such as by forming in situ benzobisthiazole. Other polymers integrating more originals monomers, such a tetrazine or divanillin, have been synthesized. Optoelectronic properties of such materials have been studied for the purpose of their integration into devices.

Un nouveau domaine de recherche a vu le jour à la fin du XXe siècle, celui de l’électronique organique provenant de l’union des propriétés de l’électronique avec celles des matériaux semiconducteurs organiques. Les principaux avantages technologiques des matériaux organiques proviennent de leur facilité de mise en œuvre (par exemple :l’impression à pression et température ambiantes) et de leur flexibilité mécanique en comparaison au silicium qui est le matériau semiconducteur le plus utilisé au monde. En raison de ces avantages, de nombreuses perspectives d’applications ont été envisagées telles que les écrans flexibles, l’éclairage à partir de grandes surfaces ou encore les cellules photovoltaïques flexibles. Les performances des semiconducteurs organiques sont actuellement moins bonnes que celles du silicium, mais ont fait des progrès spectaculaires depuis ces dernières années. Les performances des semiconducteurs organiques dépendent de l’efficacité avec laquelle les charges se déplacent dans les matériaux π-conjugués ;le paramètre clé qui caractérise le transport de charges est la mobilité, µ. En raison de l’extraordinaire diversité de structures moléculaires accessibles par la synthèse organique, les performances peuvent espérer un jour approcher celles du silicium, car il n’existe à ce jour pas de limite supérieure imposée à la mobilité des charges dans les matériaux organiques. Dans ce contexte, la contribution des chimistes consiste à développer de nouvelles molécules et macromolécules organiques donnant lieu à des matériaux aux performances toujours accrues. Un aspect important à améliorer est la dimensionnalité du transport de charges qui est comprise entre 1 et 3. En effet, plus celle-ci est faible, plus le transport de charges sera sensible aux défauts. <p><p>Au cours du présent travail, nous nous sommes intéressés à l’amélioration du transport de charges en augmentant la dimensionnalité de ce dernier. Cette approche est basée sur les études théoriques du Dr Antoine Van Vooren relevant du couplage électronique par un pont covalent, mais non conjugué entre des systèmes π tels que les oligothiophènes. En effet, selon ces travaux, le couplage électronique entre deux systèmes π est plus important lorsqu’ils sont reliés par un pont éthylène que lorsqu’ils sont isolés. Le pont permet dès lors le transport de charges dans une nouvelle dimension, favorisant ainsi le transport de charges. L’objectif principal de cette thèse consiste à réaliser la synthèse d’oligo- et polythiophènes pontés par des liens éthylènes et d’en étudier les propriétés afin de contribuer à la démonstration expérimentale qu’un pont covalent entre systèmes π aide au transfert de charges. L’étude a porté sur deux systèmes :le système 1 dans lequel le noyau aromatique est un 2,2’:5’,2’’:5’’,2’’’-quaterthiophène et le système 2 dans lequel le noyau aromatique est un 2,5-bis(thiophèn-2-yl)thiéno[3,2-b]thiophène. Les dimères D1 et D2, servant de systèmes modèles, sont étudiés dans le deuxième chapitre tandis que les polymères P1 et P2, permettant de conclure sur l’effet du pont, sont étudiés dans le chapitre trois. <p><p>Une stratégie de synthèse menant au dimère D1, à l’échelle du gramme, a été développée et les quantités recueillies ont permis d’étudier les propriétés de ce dimère. Cependant, nous n’avons pas pu obtenir de monocristaux D1, faillant ainsi à l’étude de la conformation du pont. Une stratégie de synthèse menant au dimère D2 a été développée bien que les quantités recueillies fussent faibles. Le peu de dimère D2 obtenu rendit l’étude des propriétés de ce dernier compliquée et lacunaire. Suite à l’absence d’information sur la conformation du pont des systèmes modèles, d’autres systèmes pontés, présentant une structure chimique proche, de celle des dimères ont été développés. L’efficacité des voies de synthèse imaginées pour obtenir ces composés ainsi que leurs capacités à cristalliser ont permis d’étudier la conformation du pont de ces nouveaux systèmes pontés. Nous avons pu en conclure que de faibles changements de la structure chimique engendrent des changements significatifs sur la structure cristalline ;rendant difficile la prédiction des structures cristallines des molécules cibles. <p><p>Une voie de synthèse menant au polymère P1 a été développée par couplage de Stille en guise de polymérisation, suite à d’infructueux essais via le couplage de Yamamoto. Les quantités recueillies ont permis d’étudier les propriétés de ce polymère. Nous avons ainsi pu constater que le polymère P1 présente un large domaine de stabilité thermique, mais qu’il est complètement amorphe. Néanmoins, le niveau de la HOMO fait de lui un bon candidat pour le transport de trous. Le polymère P2 a été synthétisé selon la même voie de synthèse et nous avons pu observer les mêmes propriétés que celles du polymère P1.<p><p>L’analyse des propriétés spectroscopiques des polymères P1 et P2 ne nous a pas apporté de preuve de la délocalisation des charges le long de la chaine de polymère. En effet, nous avons mis en évidence un effet d’agrégation et un effet de couplage excitonique des polymères qui a pour conséquence de modifier les propriétés caractéristiques des spectres d’absorption et d’émission dans le domaine UV-vis. Nous avons ensuite étudié leurs propriétés de transport de charges dans des transistors. Cependant, les résultats furent décevants en raison de l’absence d’un ordre cristallin au sein des polymères, ceci indépendamment de la méthode de déposition utilisée. Au final, nous n’avons pas de preuve définitive de l’effet du pont sur le transport de charges. Nous espérons que les tentatives de cristallisation des polymères porteront leurs fruits afin qu’une conclusion sur l’effet du pont éthylène entre deux systèmes π puisse être tirée dans un avenir proche. <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The ultra high barrier films for packaging find applications in a wide variety of areas where moisture and oxygen barrier is required for improved shelf-life of food/beverage products and for microbial free pharmaceutical containers. These materials also find applications in micro electro mechanical systems such as ICs, and for packaging in industrial and space electronics. Flexible and portable organic electronics like OLEDs (Organic Light Emitting Diodes), OPVDs (Organic Photo Voltaic Devices) and dye sensitized solar cells (DSSCs) have a good potential in next generation solar powered devices. In fact, organic insulators, semiconductors, and metals may be a large part of the future of electronics. However, these classes of materials are just an emerging class of materials mainly because of their life time constraints. Thus significant research is required to bring them into the forefront of electronic applications. If the degradation problems can be diminished, then these polymers could play a major role in the worldwide electronic industry. A flexible polymer film itself cannot be used as an encapsulation material owing to its high permeability. While a glass or metal substrate possesses ultra high barrier properties, it cannot be used in many electronic applications due to its brittleness and inflexibility. Polymer/ nanocomposites based hybrid materials are thus a promising class of material that can be used for device encapsulation. Chapter I summarizes some of the recent developments in the polymer/nanocomposites based materials for packaging and specifically its use in flexible as well as portable organic electronic device encapsulation. While the development of low permeable encapsulant materials is a chemistry problem, an engineering/instrumentation problem is the development of an accurate technique that can measure the low levels of permeability required for electronic application. Therefore, there is a keen interest in the development of an instrument to measure permeability at these limits. The existing techniques to measure the low permeabilities of barrier films, their importance and accuracy of measurements obtained by these instruments have been briefly discussed in this chapter. Different polymer based hybrid composite materials have been developed for the encapsulation of organic devices and their materials properties have been evaluated. Broadly, two diverse strategies have been used for the fabrication of the composites: in-situ curing and solution casting. Chapters II, III and IV discuss the fabrication of nanocomposite films based on in-situ curing while chapter V discusses fabrication based on solution casting. In chapter II, amine functionalized alumina was used as a cross-linking agent and reinforcing material for the polymer matrix in order to fabricate the composites to be used for encapsulation of devices. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Raman spectroscopy were used to elucidate the surface chemistry. Thermogravimetric and CHN analysis were used to quantify the grafting density of amine groups over the surface of the nanoparticles. Mechanical characterizations of the composites with various loadings were carried out with dynamic mechanical analyzer (DMA). It was observed that the composites have good thermal stability and mechanical flexibility, which are important for an encapsulant. The morphology of the composites was evaluated using scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). The work presented in chapter III is a technique based on grafting between surface decorated γ-alumina nanoparticles and the polymer to make these nanocomposites. Alumina was functionalized with allyltrimethoxysilane and used to conjugate polymer molecules (hydride terminated polydimethylsiloxane) through platinum catalyzed hydrosilylation reaction. As in the previous chapter, the surface chemistry of the nanoparticles after surface modification was characterized by different techniques (FTIR, XPS and Raman). The grafting density of alkene groups over the surface of the modified nanoparticles was calculated using CHN analyzer. Thermal stability of the composites was also evaluated using thermogravimetric analysis. Nanoindentation technique was used to analyze the mechanical characteristics of the composites. The densities of the composites were evaluated using density gradient column and the morphology of composites was evaluated using SEM. All these studies reveal that the composites have good thermal stability and mechanical flexibility and thus can be potentially used for encapsulation of organic photovoltaic devices. In addition, rheological studies of the composites were carried out to investigate the curing reaction. The platinum-catalyzed hydrosilylation reaction was studied using both DSC and rheological measurements. The competitive reactions occurring in the system was also monitored in real time through DSC and rheology. Based on the curing curves obtained from these two studies, the mechanistic detail of the curing process was proposed. In addition, swelling studies and contact angle measurements of the composites were also carried out to determine the capability of these materials as encapsulants. Chapter IV deals with a thermally stable and flexible composite that has been synthesized by following a hydrosilylation coupling between silicone polymer containing internal hydrides and mesoporous silica. The results of the characterization of the composites indicates that the composites are thermally stable, hydrophobic, flexible and can be potentially used for encapsulating flexible electronic devices. Chapter V discusses the solution casting method for the development of composites. This chapter is divided into two parts: Part I discusses the synthesis and characterization of flexible and thermally stable composites using polyvinyl alcohol as the base polymer matrix and reactive zinc oxide nanoparticles as the dispersed phase. Various studies like thermal analysis, mechanical analysis, surface analysis and permeability studies were used to characterize the composite films for their possible use as a passivation material. The material was used to encapsulate Schottky structured devices and the performance of these encapsulated devices under accelerated weathering was studied. Part II of this chapter discusses the fabrication of hybrid organic/inorganic based polymer-composite films, based on polyvinylbutyral (PVB) and organically modified mesoporous silica. PVB and amine functionalized mesoporous silica were used to synthesize the composite. An additional polyol (‘tripentaerythritol’) component was also used to enhance the –OH group content in the composite matrix. The thermal, barrier and mechanical properties of these composites were investigated. The investigation of these films suggests that these can be used as a moisture barrier layer for encapsulation. Chapter VI gives the concluding remarks of the results presented. The advantages as well as disadvantages of the in-situ cured and solution casted films and the scope for future work is discussed in this chapter.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Herstellung geordneter C60-Schichten, ihre elektrochemische Nanostrukturierung in wässrigen Lösungen und ionischen Flüssigkeiten und den Einsatz geordneter und nanostrukturierter Fullerenschichten in organischen Dünnschichttransistoren. Geordnete C60-Schichten wurden durch thermische Verdampfung im Hochvakuum hergestellt. Als Substratmaterial wurden HOPG (Graphit), Glimmer und einkristallines Silizium verwendet. Die größten einkristallinen Bereiche werden auf HOPG-Substraten erhalten. Die laterale Ausdehnung der C60-Kristallite parallel zu den Graphitstufen kann bis zu 50 µm erreichen, orthogonal zu den Stufen ist das Wachstum durch die Graphitstufen begrenzt. Die elektrochemische Reduktion von C60 -Schichten in wässriger Lösung ist elektrochemisch irreversibel. Die geflossene Ladung beträgt ein Vielfaches der theoretisch möglichen Menge. Durch die Reduktion tritt eine Nanostrukturierung der Schichtoberfläche ein, die Größe der gebildeten Cluster beträgt 20 nm bis 50 nm. Fullerenpolymere und hydriertes C60 sind die chemischen Hauptprodukte der elektrochemischen Nanostrukturierung in wässriger Lösung. Die Reduktion von Fullerenschichten in ionischen Flüssigkeiten ist aufgrund der geschlossenen Schichtoberfläche und des starken Potentialabfalls in der Fullerenschicht zunächst kinetisch gehemmt und setzt erst bei negativeren Potentialen im Bereich der Reduktion zum C60-Dianion ein. Die Reduktion der Fullerenschichten ist elektrochemisch irreversibel, zum Teil aber chemisch reversibel. Es konnte erstmals der Einsatz nanostrukturierter C60 -Schichten als aktives Halbleitermaterial in Feldeffekt-Transistoren gezeigt werden. Für die Verwendung nanostrukturierter Fullerenschichten in Feldeffekt-Transistoren wurde 11-(3-Thienyl-)undecyl-trichlorosilan als Haftvermittler eingesetzt. Die gezeigten Ergebnisse von C60 -Transistoren mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit und der erfolgreichen Verwendung nanostrukturierter Fullerenschichten in Transistorstrukturen zeigen die Möglichkeiten des C60 als aktives Halbleitermaterial auf.

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.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Herstellung geordneter C60-Schichten, ihre elektrochemische Nanostrukturierung in wässrigen Lösungen und ionischen Flüssigkeiten und den Einsatz geordneter und nanostrukturierter Fullerenschichten in organischen Dünnschichttransistoren. Geordnete C60-Schichten wurden durch thermische Verdampfung im Hochvakuum hergestellt. Als Substratmaterial wurden HOPG (Graphit), Glimmer und einkristallines Silizium verwendet. Die größten einkristallinen Bereiche werden auf HOPG-Substraten erhalten. Die laterale Ausdehnung der C60-Kristallite parallel zu den Graphitstufen kann bis zu 50 µm erreichen, orthogonal zu den Stufen ist das Wachstum durch die Graphitstufen begrenzt. Die elektrochemische Reduktion von C60 -Schichten in wässriger Lösung ist elektrochemisch irreversibel. Die geflossene Ladung beträgt ein Vielfaches der theoretisch möglichen Menge. Durch die Reduktion tritt eine Nanostrukturierung der Schichtoberfläche ein, die Größe der gebildeten Cluster beträgt 20 nm bis 50 nm. Fullerenpolymere und hydriertes C60 sind die chemischen Hauptprodukte der elektrochemischen Nanostrukturierung in wässriger Lösung. Die Reduktion von Fullerenschichten in ionischen Flüssigkeiten ist aufgrund der geschlossenen Schichtoberfläche und des starken Potentialabfalls in der Fullerenschicht zunächst kinetisch gehemmt und setzt erst bei negativeren Potentialen im Bereich der Reduktion zum C60-Dianion ein. Die Reduktion der Fullerenschichten ist elektrochemisch irreversibel, zum Teil aber chemisch reversibel. Es konnte erstmals der Einsatz nanostrukturierter C60 -Schichten als aktives Halbleitermaterial in Feldeffekt-Transistoren gezeigt werden. Für die Verwendung nanostrukturierter Fullerenschichten in Feldeffekt-Transistoren wurde 11-(3-Thienyl-)undecyl-trichlorosilan als Haftvermittler eingesetzt. Die gezeigten Ergebnisse von C60 -Transistoren mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit und der erfolgreichen Verwendung nanostrukturierter Fullerenschichten in Transistorstrukturen zeigen die Möglichkeiten des C60 als aktives Halbleitermaterial auf.

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Ces dix dernières années, les technologies de stockage non-volatile Flash ont joué un rôle majeur dans le développement des appareils électroniques mobiles et multimedia (MP3, Smartphone, clés USB, ordinateurs ultraportables…). Afin d’améliorer davantage les performances, augmenter les capacités et diminuer les coûts de fabrication, de nouvelles solutions technologiques sont aujourd’hui étudiées pour pouvoir compléter ou remplacer la technologie Flash. Citées par l’ITRS, les mémoires résistives polymères présentent des caractéristiques très prometteuses : procédés de fabrication à faible coût et possibilité d’intégration haute densité au dessus des niveaux d’interconnexions CMOS ou sur substrat souple. Ce travail de thèse a été consacré au développement et à l'étude des mémoires résistifs organiques à base de polymère de poly-méthyl-méthacrylate (PMMA) et de molécules de fullerènes (C60). Trois axes de recherche ont été menés en parallèle: le développement et la caractérisation physico-chimique de matériaux composites, l’intégration du matériau organique dans des structures de test spécifiques et la caractérisation détaillée du fonctionnement électrique des dispositifs et des performances mémoires. / Over the past decade, non-volatile Flash storage technologies have played a major role in the development of mobile electronics and multimedia (MP3, Smartphone, USB, ultraportable computers ...). To further enhance performances, increase the capacity and reduce manufacturing costs, new technological solutions are now studied to provide complementary solutions or replace Flash technology. Cited by ITRS, the polymer resistive memories present very promising characteristics: low cost processing and ability for integration at high densities above CMOS interconnections or on flexible substrate. This PhD specifically focused on the development and study of composite material made of Poly-Methyl-Methacrylate (PMMA) polymer resist doped with C60 fullerene molecules. Studies were carried out on three different axes in parallel: Composite materials development & characterization, integration of the organic material in specific test structure and advanced devices and finally detailed electrical characterization of memory cells and performances analysis.