Recherche Avancée

Thèse soutenue

Dispositifs électroniques basés sur des matériaux organiques : conception, fabrication et caractérisaation

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Auteur / Autrice : Marco Berliocchi
Direction : Paolo Lugli, Claude Dufour
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Électronique
Date : Soutenance en 2003
Etablissement(s) : Lille 1 en cotutelle avec Università degli studi di Roma "Tor Vergata" (1972-....)

Résumé

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Au cours de ce travail, nous avons étudié des polymères du type Poly(arylène-éthynylène) synthétisés à l'aide d'un nouveau procédé (Extended One-Pot). Expérimentalement, nous avons étudié les propriétés de conjugaison en utilisant les méthodes de mesure photophysique en solution liquide et sur des films à l'état solide. Les propriétés de transport électronique ont été caractérisées pour les applications dans les dispositifs électroniques. Nous avons ensuite conçu, fabriqué et caractérisé des dispositifs optoélectroniques basés sur des matériaux organiques (diodes électroluminescentes organiques, transistors organiques, inverseurs). En ce qui concerne les diodes électroluminescentes organiques (OLED), nous avons utilisé différentes couches de transport de trous (Pedot/PSS, EPCZ) et différentes couches actives (thienylene-phenylene copolymer, poly(arylene-ethynylene) 7b, MEH-PPV, BEHP-PPV). Les propriétés de transport de 5,10,15,20-tetra-phenyl-phorphyrin (H2-TPP) ont été analysées par mesures I(V,T} dans le domaine de température 50-350 K. Différents métaux ont été utilisés pour étudier l'influence de l'interface metal/matériau organique sur les propriétés de transport. Les couches organiques ont été déposées par spray coating et par organic molecular beam deposition (OMBD). Les résultats obtenus font apparaître un transport ohmique à toutes les températures étudiées pour les films minces déposés par les deux techniques. Deux mécanismes d'injection ont été mis en évidence: émission thermoi͏̈onique au-dessus d'une barrière indépendante du métal pour T > 250 K et effet tunnel à basse température. Par contre, les films épais déposés par spray coating présentent un comportement différent. Le courant d'obscurité en fonction de la tension appliquée augmente linéairement aux faibles champs électriques, indépendamment du métal utilisé comme contact, et présente la même dépendance avec la température que les films plus minces. Pour des tensions élevées, un mécanisme de transport dépendant du champ électrique de façon non-linéaire a été observé. De plus, la contribution de l'effet tunnel au courant augmente avec le travail de sortie du métal. Les évolutions observées ont été analysées sur la base d'un transport limité par l'injection dans des matériaux organiques amorphes semi-conducteurs. Les résistances des états d'interface et des défauts induits par la déposition ont été considérées pour discuter l'application possible du principe d'Anderson pour l'alignement des bandes et pour justifier les résultats obtenus. Pour les transistors organiques en couches minces, nous avons employé différentes géométries pour les contacts de drain et de source de façon à améliorer les courants de sortie et la mobilité. Des molécules de pentacène et de porphyrine ont été utilisées comme couche active. Les contacts de source et drain ont été préparés en Cr/Au par évaporation sous vide et par un procédé photolitografique sur un substrat de Si02. Après la déposition des contacts, nous avons sublimé (sous vide) une couche mince de matériaux organique (environ 30 nm à la vitesse de 0,2/0,1 Ä/sec). Les mesures du courant de sortie quasi statique et la caractéristique du transfert ont été effectuées dans l'air et sous vide à l'aide d'un Agilent 4155C Semiconductor Parameter Analyzer. L'analyse morphologique de la couche active, par microscopie à force atomique (AFM), a montré une forte corréiation entre la taille des grains de pentacène et les performances des dispositifs. Enfin, nous avons réalisé et caractérisé un inverseur organique avec différentes configurations de transistor de charge. Les nanotubes de carbone mono paroi (Single Wall Carbon Nanotubes - SWCN) ont des propriétés chimiques, mécaniques et électriques fascinantes, très différentes de celles des autres matériaux basés sur le carbone. Les propriétés uniques des SWCN leurs donnent un grand potentiel d'applications: dispositifs nanoélectroniques, stockage de gaz, dispositifs à émission de champ, capteurs et stockage d'énergie. Nous présentons les caractéristiques I-V dans l'air et sous vide (10'2mbar)de différents types de systèmes de SWCN conçus pour des applications technologiques avancées. Nous avons étudié tablettes, fibres formées par des agrégats de SWCN et par dépôt de SWCN sur substrat de verre avec des électrodes coplanaires interdigitées couvertes par une membrane de Nafion® (Nafion 117 Solution Dupont, by Fluka). Le Nafion est une Proton Exchange Membrane et le system nanotubes/Nafion a été choisi en vue des applications possibles sur celles spécialisé pour le carburant.