Epitaxy of regioregular poly(3-hexylthiophene) : from structure determination to the growth of highly oriented Shish-Kebab fibers

par Navaphun Kayunkid

Thèse de doctorat en Chimie physique

Sous la direction de Martin Brinkmann.

Soutenue le 05-11-2012

à Strasbourg , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....) , en partenariat avec Institut Charles Sadron (Strasbourg) (laboratoire) .

Le président du jury était Thomas Heiser.

Le jury était composé de David Djurado.

Les rapporteurs étaient Sabine Ludwigs, Dimitri A. Ivanov.

  • Titre traduit

    Préparation des fibres orientées et nanostructurées de polymères conjugués semiconducteurs à structure Shish Kebab


  • Résumé

    Le poly(3-hexylthiophène) régiorégulier (rr-P3HT) est l’un des matériaux phare pour les applications en électronique plastique. Afin d’améliorer les performances des dispositifs, il est important de comprendre et de contrôler la structure et la morphologie de la couche active. Des films minces de rr-P3HT cristallins et orientés peuvent être obtenus par epitaxie directionnelle par cristallisation (DEC) de 1,3,5-trichlorobenzène (TCB). Dans ce travail de thèse, nous présentons les avantages de la méthode DEC pour (i) déterminer la structure cristalline du rr-P3HT et pour (ii) étudier les fibres « shish-kebab », une morphologie alternative du rr-P3HT. La première partie de ce manuscrit consiste en l’analyse structurale par diffraction électronique de la forme I du P3HT obtenue dans les films epitaxiés. Afin d’affiner le modèle structural, nous avons fait varier la conformation des chaînes latérales. Dans un deuxième temps, nous avons appliqué ce même protocole afin de résoudre la structure du second polymorphe du P3HT (forme II) grâce à l’obtention de monocristaux parself-seeding. La deuxième partie du manuscrit est consacrée à l’élaboration de fibres orientées dites en « shish-kebab » par épitaxie dans un mélange TCB/Pyridine. La cinétique de croissance ainsi que l’orientation des chaînes de P3HT sont étudiés afin d’optimiser la méthode de préparation des fibres. L’effet de la masse moléculaire sur leur formation a également été évalué. Finalement les propriétés de transport de charges au sein de ces fibres ont été étudiées grâce à l’élaboration de transistors à effet de champ.


  • Résumé

    Regioregular poly(3-hexylthiophene) (rr-P3HT) is one of the promising materials for plastic electronic applications. Understanding as well as controlling the structure and morphology of the active layer is essential to improve the device efficiency. Highly crystalline and highly oriented rr-P3HT thin films can be obtained via directional epitaxial crystallization (DEC) in 1,3,5-trichlorobenzene (TCB). In this dissertation, we present the benefits of DEC method to (i) determine the crystal structure of rr-P3HT and (ii) to study shish-kebab fibers, an alternative morphology of rr-P3HT. The first part of this dissertation is related to the structural analysis of rr-P3HT form-I by using electron diffraction analysis on the epitaxied film. Furthermore, the modification of side chain conformation is used to improve the structural model. Finally, the determination protocol is also applied to resolve the preliminary crystal structure of rr-P3HT form II prepared by self-seeding method. The second part of thisdissertation is related to highly oriented shish-kebab fibers of rr-P3HT prepared by epitaxial crystallization in a mixture of TCB and pyridine. The investigations of growth kinetics and orientation of P3HT chains in the fiber are performed in order to determine the optimization of preparation conditions and growth mechanism of the fibers. In addition, the effect of molecular weight on the formation of the fibers is investigated. Finally, the charge transport properties of the fibers are measured by using the field effect transistor configuration.

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