Etudes d'un procédé de dépôt de couches minces de polymère conducteur PEDOT à partir d'une phase vapeur oxydante

Investigation of an oxidative chemical vapor deposition process of thin films of PEDOT conductive polymer

• Auteur / Autrice : Seyedmilad Mirabedin
• Direction : Brigitte Caussat, Hugues Vergnes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 22/10/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Georges Zissis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Brigitte Caussat, Hugues Vergnes, Nicolas Leclerc, Nicolas Caussé, Michel Pons
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphanie Roualdes, Graziella Malandrino

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt chimique en phase vapeur

Conducteurs organiques

Mots clés libres

Dépôt chimique à partir d’un phase vapeur

OCVD

Poly(3,4-éthylènedioxythiophène)

Polymère conducteur

Couches minces

Oxydant

FeCl3

SbCl5

Chemical Vapor Deposition

OCVD

Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)

Conductive polymer

Thin films

Oxidant

FeCl3

SbCl5

Résumé

Les propriétés électriques et optiques prometteuses du poly (3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT) font de ce polymère conducteur un matériau de choix pour les futurs dispositifs optoélectroniques organiques flexibles à bas coût tels que les cellules photovoltaïques et les diodes électroluminescentes (OLEDs). Le dépôt chimique à partir d’une phase vapeur oxydative (oCVD) est une technologie en voie sèche originale pour déposer des films minces de PEDOT sur une large gamme de substrats, à partir de vapeurs de monomère et d’oxydant à des températures inférieures à 150°C sous pression réduite. Cette thèse a permis le développement d’un procédé robuste et l’établissement de corrélations détaillées entre les paramètres opératoires et les caractéristiques des films, en vue de contrôler et optimiser leur épaisseur, leur composition chimique, leur morphologie et leur conductivité électrique. Grâce à une série d'expériences de dépôt entre 20 °C et 100 °C utilisant du trichlorure de fer (FeCl3) et du pentachlorure d'antimoine (SbCl5) comme oxydants, des films de PEDOT d’épaisseur comprises entre 10 et 400 nm présentant des conductivités électriques allant jusqu'à 1350 S/cm et une transmittance optique de 96% ont été produits sur des plaquettes de silicium de 10 cm et des substrats originaux (papier, membranes polymères, graphite, ...). Les résultats ont démontré que la formation de PEDOT se produit uniformément par des réactions purement surfaciques, même sur substrats complexes. Des premiers tests applicatifs prometteurs de ces films de PEDOT ont été menés dans des OLEDs, en tant que substrats pour la croissance de cellules animales et pour modifier la perméabilité de membranes polymères.

Promising electrical and optical properties of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) make this conducting polymer a key material for flexible and low cost optoelectronic organic devices e.g. photovoltaics and light-emitting diodes (OLEDs). Oxidative chemical vapor deposition (oCVD) is an original dry-mode technique to produce thin films of PEDOT on a wide range of substrates from monomer and oxidant vapors, at temperatures lower than 150°C under reduced pressure. This thesis allowed to develop a robust process and to establish detailed correlations between the deposition parameters and the film characteristics in order to control and optimize their thickness, chemical composition, morphology and electrical conductivity. Through a series of deposition experiments between 20 °C and 100 °C using iron trichloride (FeCl3) and antimony pentachloride (SbCl5) as the oxidant, 10-400 nm PEDOT films with electrical conductivities up to 1350 S/cm and 96% optical transmittance were produced on 10 cm silicon wafers and original substrates (paper, polymeric membranes, graphite, ...). The results demonstrate that the formation of PEDOT occurred uniformly into the reactor, even on complex substrates, through purely surface reactions. Finally, first promising applicative tests of these PEDOT films were conducted for OLEDs, as substrates for animal cell growth and membrane permeability modification.