Elaboration, structure et propriétés thermoélectriques de films minces orientés et dopés séquentiellement de poly(3-hexylthiophène) régiorégulier

Fabrication, structure and thermoelectric properties of oriented and sequentially doped thin films of regioregular poly (3-hexylthiophene)

• Auteur / Autrice : Viktoriia Untilova
• Direction : Martin Brinkmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• 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 : Nicolas Leclerc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Till Biskup, Sabine Ludwigs
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Souren Grigorian, Alexandre Carella

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermoélectricité

Semiconducteurs -- Dopage

Couches minces

Polythiophènes

Mots clés libres

Électronique organique

Polymères conducteurs

Thermoélectricité organique

Dopage redox

Cristallisation

Polythiophènes

Organic electronics

Conducting polymers

Organic thermoelectricity

Redox doping

Crystallization

Polythiophenes

Résumé

Cette thèse concerne le développement de matériaux thermoélectriques organiques à base de films orientés de poly(3-hexylthiophène ) régio-régulier dopés. Le P3HT a été orienté par brossage mécanique à haute température afin de contrôler l’orientation et la cristallinité des films minces. Le dopage séquentiel de ces films permet d’amplifier les propriétés thermoélectriques dans le sens d’alignement des chaînes. Le mécanisme de dopage du P3HT avec quatre dopants (F4TCNQ, F6TCNNQ, FeCl3 and Mo(tfd-COCF3)3) a été étudié d’un point de vue structural afin d’établir des corrélations structure-propriétés. Différents scénarii d’intercalation des dopants dans les domaines cristallins/amorphes de P3HT ont été identifiés selon la géométrie et l’électroaffinité des dopants utilisés. La combinaison de la spectroscopie optique polarisée et de la microscopie électronique en transmission a permis de préciser le mécanisme d’intercalation des dopants dans la matrice de P3HT. Différentes corrélations entre conductivité de charge et coefficient Seebeck ont été observées parallèlement et perpendiculairement aux chaînes du P3HT en raison de longueurs de localisation différentes des porteurs de charge dans les films orientés de P3HT. Le dopage des films alignés de P3HT par Mo(tfd-COCF3)3 a permis d’obtenir un facteur de puissance thermoélectrique record de 160 μW m−1 K−2 pour le P3HT.

The purpose of this thesis was to develop thermoelectrically (TE) efficient polymer:dopant systems based on oriented poly(3-hexylthiophene) (P3HT) thin films. High-temperature rubbing was used to produce highly-oriented and crystalline P3HT films. Sequential doping of P3HT films helps enhance TE properties along the polymer backbone direction in thin films. The doping of P3HT with four different dopants (F4TCNQ, F6TCNNQ, FeCl3 and Mo(tfd-COCF3)3) was carefully studied from a structural perspective to establish structure-property correlations. Different scenarios of dopant intercalation in the amorphous/crystalline domains of P3HT were uncovered, depending on the geometry and electron affinity of the dopants. A combination of Polarized UV-Vis-NIR spectroscopy and transmission electron microscopy gave a detailed insight into the dopant intercalation mechanism inside the P3HT crystallites. Different correlations between electrical conductivity and Seebeck coefficient are established in both parallel and perpendicular directions to the polymer backbone orientation and explained by differences in the charge carrier localization length. Doping of oriented P3HT by Mo(tfd-COCF3)3 helped reach a record power factor value of 160 μW m−1 K−2 for this polymer.