Commande optique de transistors à nanotubes de carbone fonctionnalisés et autoassemblés chimiquement

Optical command of chemically self-assembled and functionalized carbon nanotube field effect transistors

• Auteur / Autrice : Julien Borghetti
• Direction : Jean-Philippe Bourgoin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors

Nanotubes

Mots clés libres

Polymère conjugué

Photoconductivité

Photovoltage

Résumé

Cette thèse présente l'étude de composants opto-électroniques à base de nanotubes de carbone. Fonctionnaliser un transistor à effet de champ dont le canal est un (ou plusieurs) nanotube(s) de carbone semiconducteur(s) par un film mince de polymère conjugué permet de combiner les propriétés de transport exceptionnelles des nanotubes avec les propriétés optiques très riches des matériaux organiques. Les transistor sont autoassemblés chimiquement grâce au dépôt sélectif de nanotubes sur une monocouche moléculaire. Ils sont ensuite fonctionnalisés par le dépôt d'un film mince de polythiophène, un polymère conjugué semiconducteur. Cette étude montre que la photogénération de charges dans le polymère permet de moduler la conductance du nanotube de carbone sur quatre ordres de grandeur. L'étude des propriétés de transport (statiques et transitoires), sous éclairement, des transistors à nanotubes non fonctionnalisés, puis des transistors fonctionnalisés et enfin des transistors organiques sans nanotubes montre que la commande optique est due au piégeage d'électrons dans les états de surface du diélectrique de grille. Selon le potentiel de grille, ce composant se comporte comme un modulateur optique de courant ou une mémoire non volatile à écriture optique et effacement électrique. Le nanotube se comporte alors comme une sonde locale remarquablement sensible à la distribution des charges photogénérées dans le film de polymère et à l'interface polymère-diélectrique. Ces travaux ouvrent des perspectives intéressantes dans le domaine de la détection de lumière (pixels sub- denses à bas coût) et celui des architectures de nano-composants à base d'une double commande électro-optique.

This thesis presents the study of opto-electronic nanodevices based on carbon nanotubes. A nanotube field effect transistor constituted of one or a few semiconducting nanotubes is coated by a thin polymer film to combine the exceptional electrical properties of nanotubes with the optical properties of organic materials. The transistors used in this work are fabricated using a chemical self-assembly technique based on the selective deposition of nanotubes on a molecular amine monolayer. The transistors are then functionalized by the spin coating of a thin film of polythiophene, a semiconducting conjugated polymer. This study demonstrates that the photogenerated charges in the polymer modulate the nanotube conductivity over four orders of magnitude. We studied the static and transient electrical properties under illumination of as-made or functionalized nanotube transistors as well as polythiophene TFTs without nanotubes. We demonstrate that the optical command of the devices is due to the electron trapping in the gate dielectric surface traps. Depending on the gate bias, the device behaves either as an optical current modulator or as an electrically erasable non volatile optical memory. The carbon nanotube acts as a local probe remarkably sensitive to the photogenerated charge distribution in the polymer film and at the polymer-dielectric interface. This work has interesting perspectives for light detection and innovative architecture: low-cost sub- pixels are currently under development while new architecture based on nanodevices with a double electrical and optical command are under investigation.