Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique : Lyon 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran titre. 131 réf. bibliogr.

Thèse de doctorat : sciences. Dispositifs de l'électronique intégrée : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2003. / Titre provenant de l'écran-titre. 189 réf.

Thèse de doctorat : sciences. Dispositifs de l'électronique intégrée : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2003. / 189 réf.

L’électronique organique est un nouveau domaine de recherche qui combine les propriétés électriques de l’électronique avec les propriétés mécanique des matériaux organiques. De nouvelles applications telles que des écrans flexibles, de l’éclairage de surface ou des cellules photovoltaïques flexibles, qui ne sont pas possible avec l’électronique basée sur le silicium, sont envisagées. Les semi-conducteurs organiques sont les matériaux clés de ces dispositifs électroniques. Pour le design moléculaire, deux paramètres doivent être optimisés :l’énergie de réorganisation qui doit être minimisée et l’intégrale de transfert qui doit être maximisée. Avec un noyau aromatique rigide et étendu, les acènes linéaires tels que le pentacène et les anthradithiophènes (ADT) possèdent des énergies de réorganisation parmi les plus petites. Quant à l’intégrale de transfert, son intensité va dépendre de l’arrangement moléculaire qui ne peut malheureusement pas encore être prédit. Divers substituents peuvent être introduit sur le noyau aromatique afin de moduler l’arrangement moléculaire et ainsi maximiser l’intégrale de transfert.<p>Durant cette thèse, nous nous sommes intéressés à l’amélioration du transport de charge des anthradithiophènes par design moléculaire. Deux approches ont été envisagées :l’approche moléculaire et l’approche macromoléculaire. L’approche moléculaire se base sur les travaux de Takimiya sur les naphtodithiophènes. Dans ces travaux, il est montré que la mobilité de charge est supérieure lorsque l’isomère anti est utilisé plutôt que l’isomère syn. Les anthradithiophènes sont généralement utilisés en tant que mélange d’isomères syn et anti ;ceci est une conséquence de la voie de synthèse utilisée. Il est raisonnable de penser qu’utiliser des ADT isomériquement purs donnera des mobilités de charge plus élevées, à l’instar des naphtodithiophènes. Le premier objectif de cette thèse est donc de développer une méthodologie permettant d’obtenir des ADT isomériquement purs. L’approche macromoléculaire est basée sur les travaux théoriques d’Antoine Van Vooren sur le couplage électronique via pont éthylène (non conjugué). Selon ces calculs, le couplage électronique entre deux noyaux aromatiques est plus important lorsqu’ils sont reliés par un pont éthylène que lorsqu’ils sont indépendants. Le second objectif de cette thèse est de développer une méthodologie qui permet d’attacher deux ADTs via a pont éthylène.<p>Une stratégie de synthèse menant à l’anti-ADT a été développée. La quantité d’anti-ADT disponible via cette méthodologie est assez faible. Par conséquent, une autre méthodologie a été développée. En fonctionnalisant un des intermédiaires de réaction, il est possible de séparer les deux isomères et ainsi d’obtenir de plus grandes quantités d’anti-ADT et de syn-ADT. Les spectres d’absorption UV-vis du mélange et des différents isomères ont été comparés. Des études sur des dispositifs électroniques utilisant des ADT isomériquement purs sont en cours.<p>Une stratégie de synthèse menant à l’ADT ponté a été développée. Dans cette stratégie, le pont éthylène est synthétisé en premier et les entités anthradithiophènes générées dans un deuxième temps. L’ADT ponté a été obtenu à l’état de traces, détectées uniquement par spectrométrie de masse. Des efforts synthétique supplémentaire sont nécessaire afin d’obtenir l’ADT ponté dans des quantités suffisantes pour fabriquer des dispositifs électroniques. La fabrication de dispositifs électroniques est une étape cruciale dans la détermination de l’impact du pont sur la mobilité de charge.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'industrie des semi-conducteurs prend une place importante dans l'économie mondiale avec un marché qui excède 400 000 000 000 $ en 2005. Traditionnellement, ce sont les matériaux inorganiques qui occupent le rôle de composantes actives dans les dispositifs électroniques. Principalement, on note l'utilisation du Si dans les transistors et l'utilisation du GaAs dans les diodes électroluminescentes. Cependant, il a été récemment démontré que des matériaux organiques peuvent remplacer les semi-conducteurs traditionnels dans plusieurs applications comme les cartes à puces, les cartes d'identification électromagnétiques, les piles solaires et les diodes électroluminescentes pour la fabrication d'écrans plats flexibles. Les semi-conducteurs organiques ont donc un avenir certain dans ce domaine en pleine effervescence. Par conséquent, il est important de développer et de caractériser de nouveaux semi-conducteurs organiques démontrant les meilleures propriétés électriques et optiques possibles. De plus, l'étude de dispositifs avec ces nouveaux matériaux est essentielle afin de bien comprendre leur comportement électro-optique réel et de pouvoir optimiser les performances avec les candidats potentiels. Dans cette thèse de doctorat, nous avons fait l'étude de nouveaux matériaux dérivés de l'unité 2,7-carbazole et nous avons évalué leur potentiel à être utilisés comme semi-conducteurs dans les diodes électroluminescentes et les transistors à effet de champ.

Avec la demande sans cesse renouvelée de matériaux éco-compatibles pour l’électronique de demain, les polymères conducteurs se sont imposés comme une alternative intéressante aux matériaux déjà existants. Ils doivent leur popularité principalement à leurs propriétés électriques, optoélectroniques, thermo-chromiques, luminescentes et mécaniques, couplées à leur bonne processabilité et leur faible impact environnemental. Parmi eux, le poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) est certainement le plus connu est le plus utilisé. De nombreuses études se sont focalisées sur l’optimisation de sa conductivité électrique et des progrès remarquables ont été réalisés. Cependant, la compréhension fine de la relation structure/propriétés de ce matériau reste à élucider. C’est ainsi que dans le cadre de cette thèse nous avons décidé de plusieurs objectifs qui sont (1) la synthèse de PEDOT hautement conducteurs à structure contrôlée et optimisée, (2) l’étude des propriétés électriques, structurales et de transport électroniques dans ces PEDOT, (3) l’étude de leurs propriétés thermoélectriques et (4) l’étude de leur stabilité sous différentes conditions afin de valider leurs potentielles applications. Ainsi, après une revue de la littérature sur le PEDOT, nous étudions l’amélioration de la conductivité électrique du PEDOT:OTf et du PEDOT:Sulf, qui atteint dorénavant des valeurs à hauteur de 5400 S cm-1. Différentes techniques de caractérisation nous ont permis de mener une étude exhaustive de leurs propriétés électriques et structurales ainsi que des mécanismes de transport électronique qui en découlent. Nous nous sommes ensuite intéressés à deux de leurs propriétés thermoélectriques, l’effet Joule et l’effet Seebeck, le premier pour des applications en chauffage et le deuxième pour la récupération d’énergie. L’utilisation pour la première fois du PEDOT comme film chauffant flexible transparent est d’ailleurs présentée. On démontre par exemple que PEDOT:Sulf présente une résistance carrée de 57 Ω sq-1 pour 87.8 % de transparence et qu’une température de 138 °C peut être atteinte lorsqu’on applique 12 V. Cette thèse se conclut sur l’étude de la stabilité de nos matériaux de PEDOT sous différentes atmosphères ainsi que l’étude des mécanismes de dégradation. / With the rising demand of flexible, low cost and environmentally friendly materials for future technologies, organic materials are becoming an interesting alternative to already existing inorganic ones. Organic photovoltaics, organic light emitting diodes, organic field effect transistors, organic thermoelectricity, organic transparent electrodes are all evidences of how organic materials are sought for tomorrow. Materials which can fulfill the requirements specifications of future technologies are conducting polymers, which owe their popularity to their outstanding electrical, optoelectronic, thermochromic, lighting and mechanical properties. Moreover, they exhibit good processability even on flexible substrates and low environmental impact. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) is certainly the most known and most used conducting polymer because it is commercially available and shows great potential for organic electronics. Studies dedicated to PEDOT films have led to high conductivity enhancements. However, an exhaustive understanding of the mechanisms governing such enhancement is still lacking, hindered by the semi-crystalline nature of the material itself. In such a context, this thesis has four objectives which are (1) the synthesis of PEDOT materials with an optimized and controlled structure to enhance the electrical properties, (2) the thorough characterization of the as-synthesized PEDOT in order to understand the charge transport mechanisms, (3) the study of their thermoelectric properties and (4) the study of their stability under different environments and stresses. Thus, after a literature review on PEDOT materials, we present the enhancement of the electrical conductivity of PEDOT:OTf and PEDOT:Sulf up to 5400 S cm-1 via a structure and dopant engineering, and then thoroughly study their electrical and electronic transport properties. Subsequently, two thermoelectric properties of PEDOT are investigated, namely its resistive Joule heating ability and its Seebeck effect, for both heating and energy harvesting applications. A novel application of PEDOT as flexible transparent heater is demonstrated in the first case. PEDOT:Sulf for example exhibited a sheet resistance of 57 Ω sq-1 at 87.8 % transmittance and reached a steady state temperature of 138 °C under 12 V bias. Finally, this thesis is concluded with the ageing and stability of our PEDOT based materials under different environmental stresses. While PEDOT is stable under mild conditions, heavy degradations can occur under harsh conditions. The degradation mechanisms are then investigated in this last part.

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

Le developpement des transistors a effet de champ organiques est limite par les performances des semi-conducteurs organiques disponibles sur le marche, la mobilite des charges electriques (mu) atteinte de maniere reproductible est de 1cm2/Vs. Un des principaux frein est la presence de defauts lies a l'organisation moleculaire. Les oligothiophenes sont a l'heure actuelle parmis les semi-conducteurs organiques les plus performants, c'est pourquoi nous avons decide de baser notre recherche sur des derives du terthiophenes et du quaterthiophene. Ces composes s'organisent de maniere a permettre une conduction a deux dimensions. Mais la mobilite de charge est limitee par des defauts de plan au sein du reseau moleculairemais aussi aux defauts dus aux irregularite de l'interface dielectrique/semi-conducteur.<p>Afin de remedier a ce probleme, nous avons envisage deux approche: l'une pour la diminution des defauts de plan par l'utilisation de phase cristal liquides; l'autre vise la diminution des defauts dus aux irregularites de la surface du substrat, par l'utilisation de systemes pi relies par un pont covalent.<p>Les 5,5'-dialkylterthiophenes (chaines allant du propyle au dodecyle) et le 5,5'- dihexylquaterthiophene sont conus pour former des phases cristal liquides. Mais ces dernieres n'apparaissent cependant qu'a des temperatures superieures a 45degC. LEs chaines alkyles utilisees etant toutes des chaines lineaires, notre premiere idee a ete de synthetiser de nouveaux derives avec des chaines alkyles ou alkenyles branchees. Une voie de synthese 'one-pot' permettant de varier aisement les chaines alkyles greffees dans les positions alfa et beta des bi-, ter- et quaterthiophene a ete mise au point. La reaction d'alkylation se fait en presence de n-BuLi et t-BuOK avec des rendements variant entre 80 et 90%. LEs composes obtenus par cette methode ne presentent pas les proprietes requises, c'est pourquoi une nouvelle modification structurale a ete envisagee: la dyssymetrisation. Cette fois les chaines greffees sur les positions alfa et beta sont differentes. De nouvelles voies de synthese ont ete etablies dans ce but. Elles sont basees sur l'heterocouplage de Suzuki qui va permettre la formation d'un lien carbone-carbone entre deux unites oligothiophenes. Ce couplage donne des rendements compris entre 35 et 65%. <p>Notre connaissance de la formation de comnposes dissymetriques va etre directement appliquee a la formation des unites oligothiophenes reliees par un pont covalent. Quelque soit la nature du pont, il est necessaire de passer par un oligothiophene subtsitue en position alfa et pas omega. Deux types de ponts covalents ont ete utilises, un pont etylene et un pont disulfure, ce qui a requis la mise au point de deux schemas de synthese differents. POur les composes possendant un pont ethylene, un des synthon comporte deja un pont, l'etape finale consiste en un couplage de Suzuki. En ce qui concerne les derives possedant un pont sulfure, la formation du pont se fait lors de la derniere etape. <p><p>Les proprietes thermotropes de tous les composes synthetises ont ete mesurees, cela nous a permis de faire une etude comparative dans le but de relier la structure aux proprietes thermotropes. La taille du corps aromatique, la longueur des chaines alkyles, la presence de branchements, d'insaturations sur les chaines laterales, de meme que la dissymetrisation ont ete etudies. Nous avons tentes de correler l'evolution des proprites thermotropes de nos composes avec l'evolution des temperatures de fusion des alcanes et alcenes correspondant. Cela donne de bons resultats pour les derives du terthiophenes, mais l'augmentation de la taille du corps aromatique complique fortement les resultats, LEs constatations les plus importantes sont que la presence de branchements sur les chaines alkyles provoque la diminution des temperatures de transistions des terthiophenes et des quaterthiophenes. Meme si en plus, ces branchements provoquent la perte du caractere fluide pour les terthiophenes. Il est incontestable que la methode qui permet de modifier de facon plus fine les temperatures de transition est la dissymetrisation. Cela nous permet d'obtenir des composes possedant les proprietes rechercheesa a savoir une phase cristal liquide a temperature ambiante. Sans toutefois comprendre le lien subtil entre la structure moleculaire et les proprietes thermotropes. <p>Afin de comprendre les proprietes de semi-conduction des composes synthetises, nous avons fabriques des transistors a effet de champ avec trois d'entre eux; le 5,5'-dihexylquaterthiophene sert de compose modele, un derive du quaterthiophene possedant une phase cristal liquide a temperature ambiante et derive compose de deux unites hexylquaterthiophene relies par un pont ethylene. Les resultats pour le compose presentant une phase cristal liquide sont peu concluants. IL ne montre aucune proprietes de semi-conduction, ce qui peut s'expliquer par la difference de longueur des chaines alkyles greffees ,qui induit un deplacement lateral defavorable au transport de charges. Pour le compose ponte une mobilite de charge de 0.015cm2/V.s. a ete mesuree ( compose de reference 0.013 cm2/V.s.) avec un dielectrique de rugosite nulle. Nous pouvons conclure que le compose ponte possede bien les proprietes de semi-conduction desirees. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les sources d'énergie renouvelable connaissent un essor grandissant. Parmi celles-ci se trouvent les cellules photovoltaïques. Elles ont pour objet la transformation de la lumière en électricité. Les dispositifs actuels, basés sur le silicium, nécessitent des matériaux de très grande pureté et de hautes températures de mise en œuvre, les empêchant de concurrencer les principales sources d’énergie actuelles (fossile, nucléaire).<p>Une alternative pourrait provenir des matériaux semi-conducteurs organiques. En effet, l’utilisation de méthodes de mise en œuvre à partir de solutions pourrait permettre la fabrication de dispositifs flexibles et bon marché. Des résultats encourageants ont été obtenus avec des polymères conjugués et de petites molécules organiques. Les cristaux liquides discotiques CLDs forment une catégorie particulièrement intéressante de matériaux. Ils ont en effet la capacité de s’organiser spontanément en colonnes de molécules, formant des semi-conducteurs à une dimension. Leurs propriétés intéressantes en tant que semi-conducteurs, combinées à une mise en œuvre facile, en font de bons candidats pour de futures applications.<p>Dans ce travail, deux familles complémentaires de matériaux discotiques ont été développées, formant une paire de semi-conducteurs de type n et p. Leurs structures chimiques ont été étudiées en vue d'obtenir des matériaux possédant un ensemble de propriétés choisies afin d’optimiser les paramètres clefs du processus de photo-génération de charges. Ces propriétés sont les suivantes: forte absorption de la lumière dans le visible, fort caractère semi-conducteur de type n ou p, pas de phase cristalline à température ambiante, présence d'une phase cristal liquide colonne, phase isotrope en dessous de 200°C. De plus, les matériaux doivent être accessibles en un nombre minimum d’étapes d’une synthèse efficace, et ce avec un haut niveau de pureté. Ils doivent également être fortement solubles dans les solvants organiques usuels.<p>Cette étude comporte, pour chacune des deux familles de matériaux, le design de leur structure chimique, leur synthèse et la caractérisation de leurs propriétés physiques (thermotropes, optoélectroniques, électrochimiques). Comme possible semi-conducteur de type p, cinq dérivés tétrasubstitués de la phthalocyanine non-métallée ont été synthétisés, donnant un matériau possédant l’ensemble des propriétés recherchées. Comme possible semi-conducteur de type n, six dérivés hexasubstitués de l’hexaazatrinaphthylène ont été étudiés. L’un d’eux possède les propriétés requises.<p>Finalement, les propriétés optoélectroniques et photovoltaïques de mélanges des deux matériaux les plus prometteurs, ensemble ou avec d’autres matériaux, ont été étudiées. Des cellules solaires de rendement maximum de 1 % ont été obtenues pour deux dispositifs de compositions différentes.<p>Ces rendements, bien qu’inférieurs à ceux obtenus précédemment par d’autres groupes (jusqu’à 34 % à ce jour), sont néanmoins révélateurs des potentialités des matériaux organiques, et plus particulièrement des cristaux liquides discotiques, pour de futures applications dans le domaine des dispositifs électroniques.<p> / Doctorat en sciences, Spécialisation chimie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

These days, organic photovoltaic devices (OPV) have received a large interest from both academic and industrial researchers as alternative energy source to replace petroleum and nuclear fission. New organic semi-conductors (OSC) are actively researched since these materials can be purified and processed by solution techniques that are cheaper than those required for silicon. The current record efficiency is 8.3%. Further improvement of the OPV performances is desired in order to decrease both the pay-back time of the device and the price of the energy produced. On that purpose, academic research is focused on two main axes: (i) develop new organic materials characterized by high charge mobilities for both p-type (holes) and n-type (electrons) semi-conduction and (ii) increase as much as possible the contact surface between both p-type and n-type OSC (p-n junction), where the electric charges are created. <p>In the frame of this PhD thesis, we proposed to investigate this second aspect by building the interface at a nanoscopic scale, creating a molecular heterojunction. Liquid crystalline (LC) materials composed of donor-acceptor dyads were chosen as OSC since they can lead to complex supramolecular structures made of two interpenetrated networks: the first one is related to the donor and provides holes transport, while the second one is related to the acceptor and affords electrons conduction. In this context, we decided to synthesize new donor-acceptor molecules composed of a phthalocyanine (donor) covalently connected to a fullerene (acceptor) through a non-conjugated bridge and to investigate their supramolecular assembly in solution and solid state. This specific molecular structure was inspired from a mesogenic phthalocyanine developed earlier in our laboratory and the very popular fullerene derivative referred to as PCBM. <p>Four dyads with different bridge lengths were prepared via multi-step synthesis. Two key steps are: (i) the formation of low-symmetry A3B phthalocyanines bearing three mesogenic substituents and one hydroxyl-terminated chain and (ii) the esterification of these phthalocyanines with the carboxylic acid homologue of PCBM.<p>In solution, no electron transfer from the phthalocyanine to the fullerene is evidenced in the ground state. On the contrary fluorescence quenching indicates that a photo-induced charge transfer takes place. Also, cyclic voltammetry measurements confirmed that both phthalocyanine and fullerene moieties act as independent & / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished