Ferroelectric polymers for organic electronic applications

par Nicoletta Spampinato

Thèse de doctorat en Polymères

Sous la direction de Georges Hadziioannou et de Mario Maglione.

Soutenue le 18-12-2018

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde) , en partenariat avec EQ4 - Polymère Electronique Matériaux et Dispositifs (équipe de recherche) , Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (Bordeaux) (laboratoire) et de Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Polymères ferroélectriques pour applications électroniques organiques


  • Résumé

    L'électronique organique représente une alternative réaliste aux technologies conventionnelles à base de silicium par le design, la synthèse et la mise en oeuvre des matériaux organiques fonctionnels dans des dispositifs légers et flexibles. Les matériaux organiques, tels que les petites molécules ou les polymères organiques, sont avantageux pour leur faible coût, leur flexibilité et leur facilité de traitement. Grâce aux avantages liés à l'utilisation de matériaux organiques, en termes économiques et de gain de temps, l'électronique organique est devenue un domaine innovant qui s'applique aux technologies de l'énergie, de l'environnement, de la santé, de l'information et de la communication.L'électronique organique est issue de la découverte de polymères dotés de fonctionnalités semi-conductrices. Cependant, il ne faut pas négliger une autre classe de polymères exceptionnels, les polymères ferroélectriques. La nature électroactive des polymères ferroélectriques, qui sont également pyroélectriques et piézoélectriques, combinés aux avantages intrinsèques des polymères, les a désignés comme éléments constitutifs d’une gamme étendue de dispositifs électroniques organiques.La famille de polymères ferroélectriques la plus connue est celle du poly(fluorure de vinylidène) P(VDF) et de son copolymère avec le trifluoroéthylène, P(VDF-co-TrFE). La récupération d'énergie, le stockage et la détection de données, principales applications de l'électronique organique, peuvent potentiellement tous être réalisés avec ces matériaux fonctionnels exceptionnels. La ferroélectricité étant une propriété dépendant de la structure, il est indispensable de mieux comprendre les relations réciproques entre la structure et les propriétés ferroélectriques finales afin d'améliorer les applications existantes des polymères ferroélectriques en électronique organique et de promouvoir l'introduction du P(VDF-co-TrFE) dans de nouvelles applications.P(VDF-co-TrFE) en tant que polymère semi-cristallin possède des propriétés cristallines sensibles au traitement thermique. Puisque seules les régions cristallines contribuent a le commutation électronique de la polarisation et non les amorphes, le degré de cristallinité est un facteur clé pour moduler les propriétés ferroélectriques. En autre, l'orientation des cristallites ainsi que la présence de défauts dans les cristallites sont des paramètres cruciaux qui jouent un rôle important dans la définition des performances finales des dispositifs dans lesquels P(VDF-co-TrFE) est incorporé. Tel est l'objectif de cette thèse: atteindre une compréhension exhaustive des relations traitement-structure-fonction qui serviront d'outil pour moduler les performances des dispositifs ferroélectriques.De plus, les applications potentielles de P(VDF-co-TrFE) en électronique organique sont explorées en examinant sa mise en oeuvre dans: (1) des capteurs médicaux à cathéter piézoélectrique destinés à mesurer la fonction cardiaque et éventuellement à détecter maladies cardiaques et (2) dispositifs électroniques dans lesquels P(VDF-co-TrFE) est mélangé avec le polymère poly(3-hexylthiophène) semi-conducteur, P3HT. Ce dernier a déjà été appliqué dans les diodes à mémoire ferroélectrique non volatile et l’utilisation potentielle dans le champ de l’organique photovoltaïque est explorée.


  • Résumé

    Organic electronics represent a realistic alternative to conventional silicon-based technologies through the design, synthesis and implementation of functional organic materials into light and flexible devices. Organic materials, such as small molecules or organic polymers, are advantageous for their low-cost, flexibility and easy processing. Thanks to the economical and timesaving advantages, organic electronics have emerged as an innovative field with application in energy, environment, health, information and communication technologies.Organic electronics originates from the discovery of polymers with semiconducting functionalities. However, one should not neglect another class of outstanding polymers, the ferroelectric polymers. The electroactive nature of ferroelectric polymers, which are also pyroelectric and piezoelectric, combined with the intrinsic advantages of polymers have designated them as constituent elements of a widespread range of organic electronic devices. The most well-known family of ferroelectric polymers is that of poly(vinylidene fluoride), P(VDF), and its copolymers with trifluoroethylene, P(VDF-co-TrFE). Energy harvesting, data storage and sensing, main applications of organic electronics, can potentially all be realised using these exceptional functional materials.Since ferroelectricity is a structure-dependent property an insight into the interrelations between structure and final ferroelectric properties is indispensable in order to improve existing applications of ferroelectric polymers in organic electronics and to promote the introduction of P(VDF-co-TrFE) in new application fields. P(VDF-co-TrFE) as semi-crystalline polymer possess crystalline properties which are sensitive to thermal treatment. Since only the crystalline regions contribute to ferroelectric switching and not the amorphous ones, the degree of crystallinity is a key factor to modulate the ferroelectric properties. Moreover, crystallites orientation as well as the presence of defects within the crystallites are crucial parameters playing an important role in defining the final performance of the devices in which P(VDF-co-TrFE) is incorporated.Herein stands the aim of this thesis: reach an exhaustive understanding of processing-structure-function relationships that will serve as tool to modulate ferroelectric devices performances.Going one step further, the potential applications of P(VDF-co-TrFE) in organic electronics are explored by investigating it in: (1) medical piezoelectric catheter sensors for measuring cardiac function and eventually for detecting cardiac disease and (2) electronic devices in which P(VDF-co-TrFE) is blended with the semiconducting polymer poly(3-hexylthiophene), P3HT. The latter has already been applied in non-volatile ferroelectric memory diodes and the potential use in organic photovoltaics is explored.


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