Développement de couches planaires à base de nanotubes de carbone pour des applications en optoélectronique

Development of planar layers containing carbon nanotubes (CNT) for applications in optoelectronics

• Auteur / Autrice : Jaouad Marzouk
• Direction : Bernard Ratier, Johann Bouclé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Ingénierie pour l'information (S2I)
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Limoges
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique non linéaire

Transistors à effet de champ

Polymères conjugués

Nanotubes

Optoélectronique

Mots clés libres

Optoélectronique organique

Transport de charges

Résumé

Les objectifs de ce travail de thèse concernent le développement de composites polymères conjugués/nanotubes de carbone (NTC) et l’étude de leurs propriétés électriques. En effet, du fait de leur taille nanométrique et de leurs priorités électroniques originales, les nanotubes de carbone apparaissent comme très prometteurs pour améliorer le drainage des charges de couches actives à base de semi-conducteurs organiques. Néanmoins, il est nécessaire de contrôler de façon fine leur structuration dans la matrice polymère, pour aboutir à des composants optoélectroniques aux propriétés améliorées. Dans ce contexte, nous proposons un procédé d’élaboration en conditions ambiantes simple et bas coût pour la réalisation de structure planaires inter-digitées à base de couches composites polymère/NTC. Associé à l’utilisation d’une procédure d’orientation des nanotubes sous champ électrique, cette stratégie nous a permis de montrer qu’il est possible de contrôler les propriétés de transport des composites au travers des principaux paramètres expérimentaux d’élaboration (composition du composite, nature du solvant utilisé, nature du signal électrique d’orientation). L’analyse des distributions angulaires des nanotubes incorporés par rapport à la direction du champ d’orientation a permis une optimisation des conditions d’élaboration des composites pour l’obtention de propriétés électriques optimales. Puis, les caractérisations électriques des composites planaires ont montré que l’incorporation et l’orientation des nanotubes au sein du polymère (P3HT) ne semblent pas modifier de façon drastique les mécanismes de transport de la matrice. Finalement, nous avons cherché à exploiter ces résultats en élaborant des transistors organiques à effet de champs P3HT/NTC à l’aide du même procédé d’élaboration. Les conditions optimales de structuration des nanotubes ont conduit à un gain significatif de deux ordres de grandeurs sur la mobilité des porteurs de charge par rapport à une matrice de polymère seul. Ces résultats illustrent les fortes potentialités des composites polymère/NTC dans le domaine de l’optoélectronique organique, et ouvrent des perspectives dans des domaines variés tels que les communications hyperfréquences ou l’optique non linéaire.

This work aims at developing conjugated polymer/carbon nanotubes (CNT) composites and studying their electrical properties. Thanks to their structure and electronic configuration, carbon nanotubes are indeed found to be very promising to improve the charge transport properties of active layers based on organic semi-conductors such as polymers. However, it is necessary to control their structuration within the matrix, in order to demonstrate functional components with improved performance. In this context, we propose a simple fabrication process, realized in ambient conditions and compatible with low cost technologies, to achieve planar inter-digitized architectures based on polymer/CNT composites. By using a specific procedure for the alignment of carbon nanotubes under an electric field, this strategy allows us to control the charge transport properties of the composites by varying the various experimental conditions used during their fabrication (composition of the composite, nature of the solvent used, nature of the electric signal used for the orientation of the CNT). The analysis of the angular distributions of the incorporated nanotubes with regard to the direction of orientation electric field allowed the optimization of the processing conditions, towards optimal electric performance. Then, the electric characterization of the planar devices showed that the incorporation and orientation of CNT within the polymer matrix (P3HT in our case) do not drastically modify the charge transport mechanisms occurring in the polymer. Finally, we illustrate the potentialities of the approach by implementing organic filed effect transistors based on the P3HT/CNT composites. The optimal fabrication conditions were associated with a strong improvement of the associated charge mobility by two orders of magnitude with regard to the pristine polymer matrix. These results demonstrate the strong potentialities associated with polymer/CNT composites in the field of organic optoelectronics, and open various perspectives in related areas such as radiofrequency communications or nonlinear optics.