Transistors organiques à base de dérivés du polythiophène : effets de la structure moléculaire et supramoléculaire

Organic thin film transistors based on pol ythiophenes : effects of molecular and macromolecular parameters

• Auteur / Autrice : Jean-Marie Verilhac
• Direction : Jean-Pierre Travers, Gilles Leblevennec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polythiophènes

Microstructure (physique)

Mots clés libres

Nanobâtonnets

Masse molaire

Résumé

Ce travail est consacré principalement à l'influence de la longueur de chaîne et de la microstructuration du polymère semi-conducteur, sur les performances des transistors organiques à base de dérivés du polythiophène. Afin de séparer les effets respectifs de la longueur de chaîne et de la microstructuration, une étude structurale approfondie a été réalisée dans le cas du P3HT RR, qui a fait office de matériau modèle. La mise en œuvre de plusieurs méthodes de réalisation des couches minces ("spin coating", "drop casting" et "dip coating") combinées à l'utilisation de différentes fractions de masse molaire du polymère a permis d'obtenir une grande variété de morphologies. Il apparaît que la mobilité des charges varie selon une loi de puissance de la masse molaire. Ainsi, une augmentation de plus de trois ordres de grandeur est observée lorsque la masse molaire du P3HT RR varie de 1. 1 kDa à 27kDa. Ce résultat a été généralisé de manière originale, à trois semi-conducteurs dérivés du polythiophène. Par ailleurs, nous montrons que le P3HT RR tend à s'organiser sous forme de nano-bâtonnets dont le modèle de structure est conforté et précisé à partir de caractérisations réalisées par AFM et par RX. Une autre problématique d'importance concernant la tenue à l'air des caractéristiques électriques des transistors, a été étudiée. Cette étude suggère que la stabilité des polymères conjugués ayant un potentiel d'ionisation supérieur à 5. 2eV et protégés de l'humidité, serait suffisante pour garantir une bonne tenue des performances électriques des dispositifs transistors exposés à l'air.

This work is devoted to the effects of the chain lengthand the morphology of semi-conducting polymer of the polyalkylthiophene family, on organic thin film transistors performances. Ln the case of P3HT RR, the application of three distinctly different processing techniques ("spin coating", "drop casting" and "dip coating") together with polymers exhibiting different molecular weights, including previously unexplored corrected molecular weight value (27kDa), enabled the separation of the influence of purely macromolecular factors from the supramolecular ones. The charge carrier's mobility dependence with the molecular weight follows a power law. A spectacular increase of the mobility about three orders of magnitude, from 10. 5cm2N. S to O. 04cm2N. S, is observed when the P3HT RR molecular weight is changing from 1. 1 kDa to 27kDa. Our results show that the dependence of the mobility on the molecular weight can hardly be explained by the change in film morphology, and is essentially a chain length effect. This result has been extended on three semi conducting polymer derived from polythiophene. From a morphological point of view, the P3HT RR tends to organised into weil defined nanorods. AFM and GIXD measurements have been used to confirm and specify the structural model of these nanorods. The stability of the electrical characteristics of the transistors against air has also been investigated. This study suggest that the stability of the conjugated polymer with an ionisation potential higher than 5. 2eV and which is protected against moisture, would be sufficient to guarantee good overall performances of the devices exposed to air.