Dynamique des excitons et transport de charge dans des films minces ordonnés à base de dérivés de triazatruxène

Exciton dynamics and charge transport in ordered thin films based on triazatruxene derivatives

• Auteur / Autrice : Jiang Jing
• Direction : Thomas Heiser
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et technologie des composants
• Date : Soutenance le 16/03/2022
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Günter Reiter
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Simon, Émilie Steveler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Chénais, Sabine Ludwigs

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors organiques à effet de champ

Semiconducteurs organiques

Excitons

Excitation électronique

Mots clés libres

Semi-conducteurs organiques à petites molécules

Durée de vie des excitons

Longueur de diffusion des excitons

Transport de charge

Transistors à effet de champ organiques

Courant limité par la charge d'espace

Small-molecule organic semiconductors

Exciton lifetime

Exciton diffusion length

Charge transport

Organic field-effect transistors

Space-charge-limited-current

Résumé

La dynamique des excitons et le transport des porteurs de charge dans les semi-conducteurs organiques sont des propriétés essentielles qui déterminent les performances des dispositifs opto-électroniques (comme par exemple les cellules solaires organiques) et dépendent fortement de la structure moléculaire et de l'état solide associé des molécules semi-conductrices. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur une famille de semi-conducteurs moléculaires de type donneur-accepteur-donneur (D-A-D) en forme d'haltère. La partie donneuse d'électrons était composée d'une unité planaire fonctionnalisée de triazatruxène (TAT), qui est très soluble et agit comme une plateforme d'empilement π, tandis qu'une unité de thiophène-thiénopyrroledione-thiophène (TPD) a été utilisée comme unité acceptrice d'électrons. Les structures auto-assemblées à l'état solide des molécules TPD-TAT dépendent fortement des chaînes latérales alkyles greffées sur les deux unités et des traitements thermiques post-dépôt. La durée de vie et la longueur de diffusion des excitons ont été étudiées en détail en fonction de la structure chimique moléculaire et de la structure de l'état solide. De même, les mobilités des porteurs de charge dans le plan et hors du plan ont été étudiées en fonction de la structure de l'empilement moléculaire. Enfin, les premières cellules solaires organiques utilisant le TPD-TAT comme donneur d'électrons mélangé à un polymère accepteur d'électrons ont également été développées.

Exciton dynamics and charge carrier transport in organic semiconductors are essential properties that determine the performances of opto-electronic devices (such as for instance organic solar cells) and are highly dependent on the molecular structure and associated solid-state packing of the semi-conducting molecules. In this thesis, we focused on a family of "dumbbell-shaped" donor-acceptor-donor (D-A-D) type molecular semiconductors. The electron donor moiety was composed of a functionalized planar triazatruxene (TAT) unit, which is highly soluble and acts as a π-stacking platform, while a thiophene-thienopyrroledione-thiophene (TPD) unit was used as the electron acceptor unit. The self-assembled solid-state structures of the TPD-TAT molecules are highly dependent on the alkyl side-chains grafted on both units and on post-deposition thermal treatments. The exciton lifetime and diffusion length were investigated in detail as a function of molecular chemical structure and solid-state structure. Also, the in-plane and out-of-plane charge carrier mobilities were studied as a function of molecular packing structure. Finally, first organic solar cells using TPD-TAT as electron donor blended with an electron-acceptor polymer were also developed.