Films minces de polythiophènes orientés et conducteurs pour applications en thermoélectricité

Highly oriented conducting polythiophene films for thermoelectric applications

• Auteur / Autrice : Vishnu Vijayakumar
• Direction : Martin Brinkmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 07/02/2020
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Sadron (Strasbourg ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Sabine Ludwigs
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Stein
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Müller, Alexandre Carella

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs -- Dopage

Polymères conjugués

Polythiophènes

Propriétés électriques

Polymères

Mots clés libres

Polymères conducteurs

Structure

Thermoélectricité

Microscopie électronique à transmission

Conducting polymers

Structure

Thermoelectricity

Transmission electron microscopy

Résumé

Cette thèse concerne la fabrication de matériaux thermoélectriques (TE) à base de films minces orientés de polythiophènes (PBTTT). Le brossage à haute température produit des films minces de cristallinité et d’orientation contrôlées. Différentes méthodes de dopage avec des dopants tels F4TCNQ, F6TCNNQ et FeCl3 ont permis de fabriquer des films polymère conducteurs orientés aux propriétés TE anisotropes. Une combinaison de spectroscopie UV-vis-NIR polarisée et de MET donne accès à l’orientation et à la quantité de dopants intercalés dans les cristaux polymère. Le coefficient de diffusion du dopant est corrélé à la longueur des chaînes alkyls des polymères : les PBTTTs ayant des chaînes alkyls en C12 présentent les meilleurs propriétés TE en raison d’une diffusion rapide et efficace des dopants dans le polymère. Finalement, nous avons étudié l’effet du type de dopant (son électronégativité, sa taille) sur les propriétés TE des films. Le dopage de films orientés de C12-PBTTT avec FeCl3 permet d’atteindre des valeurs records de conductivité de 2.105 S/cm et des facteurs de puissance de l’ordre de 1 mW/mK2.

The aim of this thesis is to develop new polymeric thermoelectric (TE) materials based on oriented polythiophene (PBTTT) films. High-temperature rubbing produces oriented films of controlled orientation and crystallinity. Various doping methods with suitable dopants (F4TCNQ, F6TCNNQ and FeCl3) produced enhanced TE properties along the rubbing direction. A combination of polarized UV-Vis-NIR spectroscopy and TEM uncovered the amount and orientation of dopants intercalated in the crystals of PBTTT. The diffusion coefficient of dopants is correlated to the length of alkyl side chains : PBTTT with C12 side chains shows the best TE properties because of a fast and effective diffusion of dopants in the polymer films. Finally, we evaluated the impact of dopant (geometry, electronegativity) on the TE properties. Doping oriented PBTTT with FeCl3 helped reach record electrical conductivity of 2×105 S/cm and TE power factors of 1 mW/mK2.