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.

Cette thèse traite de l'étude du transport de charge à travers les semi-conducteurs organiques au sein de transistors à effet de champ organiques (OFET). Une grande attention a été accordée aux interfaces dans les OFET dont les propriétés ont été accordées pour moduler la réponse transistor. La stabilité de l'appareil en état de commutation et le mécanisme régissant l'injection de charges ont été étudiés systématiquement. Le transport de charge au niveau fondamental à travers les monocouches auto-assemblées comprenant une grande variété des molécules π-conjuguées a été étudié. Dans cette thèse, le processus de transport de charge et différents paramètres affectant ce phénomène sont examinées en détail par la fabrication et la caractérisation de trois terminaux basés sur des architectures OFET et deux dispositifs de jonctions terminales constituées d’une couche mono-moléculaire sur la surface de l'électrode métallique. Parmi les différents aspects relatifs à l'injection de charge dans des transistors organiques macroscopiques à couches minces, un accent particulier a été mis sur l'interface de l’engineering en réglant (i) le diélectrique / l’interface semi-conducteur, et (ii) l'électrode en métal / le semi-conducteur. Pour explorer les aspects régissant le transport de charge dans le canal de l'appareil, nous avons étudié la propriété de (iii) la mobilité intrinsèque dans la semi-conductivité des matériaux et (iv) l'utilisation de mélanges dans la couche active du dispositif. A l’échelle nanométrique, le transport de charge, grâce à une mono-couche moléculaire chimisorbé sur des électrodes métalliques, a été étudié. Pour effectuer la caractérisation électrique sur la mono couche auto-assemblée (SAM), nous avons construit un système de configuration comprenant des alliages eutectiques de gallium et d'indium liquide métallique (GainE) comme électrode. / This thesis deals with the study of charge transport through organic semiconductors incorporated in Organic Field-Effect Transistors (OFETs). Great attention is given to the interfaces in the OFETs and the properties of which were tuned to modulate transistor response. The stability of the device under switching states and the mechanism governing charge injection were studied systematically. In a fundamental level the charge transport through self-assembled monolayers comprising of variety of π-conjugated molecules were investigated. In this thesis the charge transport process and different parameters affecting this phenomenon are investigated in detail by fabrication and characterization of three terminal devices based on OFET architectures and two terminal devices consisting junctions incorporating mono-molecular layer on surface of metal electrode. Among the different aspects governing the charge injection in macroscopic organic thin film transistors particular emphasis was given to the interface engineering by tuning the (i) Dielectric/semiconductor interface, and (ii) Metal electrode/semiconductor. To explore aspects governing charge transport within the channel of the device we investigated the property of (iii) semiconductor intrinsic mobility and (iv) usage of blends in the active layer of the transistor. On the nanoscale the charge transport through a mono molecular layer chemisorbed onto metal electrodes was investigated. To perform electrical characterization on self-assembled monolayer (SAM) a custom in-house setup comprising of eutectic alloy of liquid metallic gallium indium (GaInE) probe electrode was built.

Cette thèse traite de l'étude du transport de charge à travers les semi-conducteurs organiques au sein de transistors à effet de champ organiques (OFET). Une grande attention a été accordée aux interfaces dans les OFET dont les propriétés ont été accordées pour moduler la réponse transistor. La stabilité de l'appareil en état de commutation et le mécanisme régissant l'injection de charges ont été étudiés systématiquement. Le transport de charge au niveau fondamental à travers les monocouches auto-assemblées comprenant une grande variété des molécules π-conjuguées a été étudié. Dans cette thèse, le processus de transport de charge et différents paramètres affectant ce phénomène sont examinées en détail par la fabrication et la caractérisation de trois terminaux basés sur des architectures OFET et deux dispositifs de jonctions terminales constituées d'une couche mono-moléculaire sur la surface de l'électrode métallique. Parmi les différents aspects relatifs à l'injection de charge dans des transistors organiques macroscopiques à couches minces, un accent particulier a été mis sur l'interface de l'engineering en réglant (i) le diélectrique / l'interface semi-conducteur, et (ii) l'électrode en métal / le semi-conducteur. Pour explorer les aspects régissant le transport de charge dans le canal de l'appareil, nous avons étudié la propriété de (iii) la mobilité intrinsèque dans la semi-conductivité des matériaux et (iv) l'utilisation de mélanges dans la couche active du dispositif. A l'échelle nanométrique, le transport de charge, grâce à une mono-couche moléculaire chimisorbé sur des électrodes métalliques, a été étudié. Pour effectuer la caractérisation électrique sur la mono couche auto-assemblée (SAM), nous avons construit un système de configuration comprenant des alliages eutectiques de gallium et d'indium liquide métallique (GainE) comme électrode.

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%.