Conception, réalisation et caractérisation de photodétecteurs organiques pour le proche infrarouge

Design, fabrication and characterization of organic photodetectors for the near infra-red

• Auteur / Autrice : Bruno Flament
• Direction : David Henry, Raphaël Clerc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 10/12/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Vignau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Henry, Raphaël Clerc, Laurence Vignau, Jérôme Cornil, Jean-Jacques Simon, Isabelle Séguy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Cornil, Jean-Jacques Simon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Petites molécules

Capteurs optiques

Spectres infrarouges

Mots clés libres

Infrarouge

Photodetecteurs Organiques

DPPDTS-EH

PDPPTT

Infrared

Organic Photodetectors

DPPDTS-EH

PDPPTT

Résumé

Cette thèse présente l’étude d’une quinzaine de matériaux semi-conducteurs organiques et leur incorporation au sein de photodétecteurs organiques (OPDs) dans le but de détecter la lumière dans le proche infrarouge. En premier lieu, nous avons décrit l’étude bibliographique et le fonctionnement de ces OPDs. En suivant, nous montrons un bref aperçu des propriétés optiques et électroniques de tous ces matériaux ; ainsi que notre sélection de matériaux pour la suite de cette étude. Ensuite, nous décrivons l’optimisation de ces matériaux en nous basant sur un protocole de référence préétabli pour des photodétecteurs à base de PCDTBT. L’optimisation est effectuée à plusieurs niveaux. Tout d’abord, le choix du couple Donneur:Accepteur présent dans la couche active est effectué. Par la suite, nous avons défini l’architecture des OPDs en ce qui concerne les électrodes et les couches interfaciales. Une optimisation plus poussée de la couche active au niveau du ratio D:A, du solvant, des additifs et des recuits a été mise en œuvre. Grâce à ces optimisations, nous obtenons des OPDs sensibles à 850 nm avec un ratio On/Off supérieur à 4.103 et une sensibilité atteignant 0,15 A/W. Nous remarquons un fort impact de la séparation de phase au sein de la couche active sur la sensibilité. Finalement, nous présentons l’étude d’un couple D:A entièrement composé de matériaux du projet.

This thesis shows the study of different organic semiconductors and their use in organic photodetectors (OPDs). Their goal is the detection of light in the near infrared region. First, we presented a bibliographic study and a description of the working principles of OPDs. Then, we show a brief overlook of the optical and electrical properties of these materials and our selection of materials for the following study. In the main part of the study, we described the optimisation of these materials based on a reference for the fabrication and characterization process previously used for PCDTBT based OPDs. The optimization is done in multiple steps. Firstly, we decided the D:A combination present in the active layer. Then, we defined the OPDs architecture with respect to the electrodes and interfacial layers. Further optimization of the active layer in terms of D:A ratio, solvents, additives and annealing is presented. As a result, we obtained OPDs detecting light at 850 nm. The On/Off ratio reach values above 4.103 and responsivity as high as 0,15 A/W. We observed a strong impact of the phase separation in the bulk on responsivity. Finally, we described OPDs with an active layer composed of materials originating only from the project.