Dispositifs électroniques et optiques à base de complexe à transition de spin [Fe(HB(1,2,4-triazol-1-yl)3)2]

Electronic and optical devices integrating thin films of the spin crossover complex [Fe(HB(1,2,4-triazol-1-yl)3)2]

• Auteur / Autrice : Yuteng Zhang
• Direction : Gábor Molnár, Azzedine Bousseksou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Organométallique et de Coordination
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie de Coordination (Toulouse ; 1974-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Flahaut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gábor Molnár, Emmanuel Flahaut, Rodrigue Lescouëzec, José Sánchez Costa, Isabelle Séguy, Amandine Bellec
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rodrigue Lescouëzec, José Sánchez Costa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dispositifs optoélectroniques

Transition de spin

Couches minces métalliques

Mots clés libres

Transition de spin

Couches minces

Dispositifs électroniques

Cavités optiques

Spin crossover

Thin films

Electronic devices

Optical cavities

Résumé

L'objectif central de cette thèse est l'exploration des applications potentielles des complexes moléculaires à transition de spin dans les dispositifs électroniques et photoniques. Dans ce but, des films minces cristallins de haute qualité, déposés thermiquement sous vide, du complexe [Fe(HB(tz)3)2] (tz = (1,2,4-triazol-1-yl), présentant une bistabilité robuste à température ambiante, ont été incorporés dans des dispositifs à deux et trois bornes. Des jonctions verticales de grande surface ont été formées par des empilements ITO/[Fe(HB(tz)3)2]/Al. Ces jonctions ont présenté une chute de résistance allant jusqu'à trois ordres de grandeur lors du passage de l'état bas spin à l'état haut spin. Elles ont également révélé une grande résistance à la fatigue lors du stockage (> 1 an) et lors de commutations répétées (>10 000) à l'air ambiant. Le mécanisme de commutation de résistance pourrait être lié au transport de charge intrinsèque au film de complexe à transition de spin. Des jonctions multicouches similaires avec des électrodes magnétiques ont également été fabriquées pour la première fois. Des films de [Fe(HB(tz)3)2] ont été par la suite incorporés dans des transistors organiques à effet de champ. Différentes configurations ont été réalisées (grille inférieure/contact inférieur, grille inférieure/contact supérieur) - dans le but d'utiliser le phénomène de transition de spin pour moduler les propriétés des transistors. Malgré des difficultés considérables pour obtenir des caractérisations reproductibles en fonction de la température, nous avons pu mettre en évidence de modifications de différentes caractéristiques en fonction de la température, qui pourraient être liées à la transition de spin. En parallèle, des cavités multicouches Ag/[Fe(HB(tz)3)2]/Ag de type Fabry-Perot ont également été fabriquées. Ces dispositifs utilisent la commutation remarquable de l'indice de réfraction (n = 0,04 - 0,2) entre les états bas spin et haut spin dans le film [Fe(HB(tz)3)2] pour réaliser la modulation de la résonance de la cavité. Cette possibilité d'ajustement de la longueur d'onde centrale est associée à de faibles pertes d'absorption dans les domaines spectraux du visible et du proche infrarouge, ce qui ouvre la voie au développement des dispositifs photoniques reconfigurables et auto-adaptatives.

The central aim of this thesis is the exploration of potential applications of molecular spin crossover complexes in electronic and photonic devices. To this aim vacuum thermal deposited, high quality, crystalline thin films of the complex [Fe(HB(tz)3)2] (tz = (1,2,4-triazol-1-yl), displaying robust, above-room-temperature spin crossover, were incorporated into two- and three-terminal device configurations. Large-area, vertical junctions were formed by ITO/[Fe(HB(tz)3)2]/Al stacks. The junctions exhibited up to three orders of magnitude resistance drop when switching from the low-spin to the high-spin state. They revealed also high resistance to fatigue both on storage (> 1 year) and on repeated switching (>10,000) in ambient air. The resistance switching mechanism could be linked to the intrinsic charge transport in the spin crossover film. Similar multilayer junctions with magnetic electrodes were also fabricated for the first time. [Fe(HB(tz)3)2] films were then incorporated into organic field-effect transistors. Different device configurations were created (bottom gate/bottom contact, bottom gate/top contact) - aiming for the use of the spin crossover phenomenon to modulate the transfer/output characteristics of the transistors. Despite considerable difficulties in achieving reproducible temperature-dependent characterizations, we could evidence changes of the device characteristics, which may be related to the spin crossover phenomenon. In parallel, multilayer Ag/[Fe(HB(tz)3)2]/Ag Fabry-Perot cavities were also fabricated. These devices use the remarkable refractive index switching (Δn = 0.04 - 0.2) between the low-spin and high-spin states in the [Fe(HB(tz)3)2] film to achieve modulation of the cavity resonance. This wavelength tuneability is coupled with low absorption losses in the visible and near infrared spectral ranges, providing scope for reconfigurable and self-adaptive photonics applications.