Kelvin Probe Force Microscopy Characterization of Organic and Hybrid Perovskite Solar Cells

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Etude par microscopie à force atomique en mode non contact et microscopie à sonde de Kelvin, de matériaux modèles pour le photovoltaïque organique

La nanostructure et les propriétés électroniques de matériaux modèles pour le photovoltaïque organique, ont été étudiées en utilisant la Microscopie à Force Atomique en mode non contact sous ultra-vide (NC-AFM) et la Microscopie à sonde de Kelvin (KPFM). En utilisant le mode modulation d'amplitude (AM-KPFM), le potentiel de surface photo- généré dans des mélanges donneur-accepteur présentant une ségrégation de phase optimale a pu être visualisé à l'échelle du nanomètre. Afin de préciser la nature des forces mises en jeu dans le processus d'imagerie KPFM, des oligomères p-conjugués auto-assemblés ont ensuite été étudiés. Une transition entre régimes à longue et à courte portée a ainsi été mise en évidence en combinant l'imagerie en haute résolution aux mesures de spectroscopie en distance. Ces mesures ont également démontré que l'influence des forces électrostatiques à courte portée peut être minimisée en travaillant au seuil du contraste de dissipation. Enfin cette procédure a été utilisée, en combinaison avec les mesures de spectroscopie de photoélectrons UV, pour analyser la fonction de sortie locale d'électrodes transparentes à base de nanotubes de carbone fonctionnalisés.In this thesis, noncontact atomic force microscopy (NC-AFM) and Kelvin probe force microscopy (KPFM) under ultrahigh vacuum have been applied to investigate the nanostructure and electronic surface properties of model materials for organic photovoltaics. First, it has been demonstrated that the surface photovoltage of nanoscale phase segregated donor-acceptor photovoltaic blends can be finely resolved at the nanometer scale by using amplitude modulation KPFM (AM-KPFM). Next, model self-assembled p-conjugated oligomers have been investigated, in order to obtain a deeper insight into the nature of the tip-surface forces involved in the KPFM imaging process. A crossover between long-range (LR) and short-range (SR) regimes has been evidenced by combining high resolution imaging with distance-spectroscopy measurements. It has also been shown that the influence of the SR electrostatic forces can be minimized by working at the onset of the damping contrast. Finally, using this procedure, the local work function of flexible transparent electrodes, comprised of functionalized carbon nanotubes by metallic nanoparticles, has been investigated, and compared to the averaged value deduced from ultraviolet photoelectron spectroscopy.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Implementation of data-cube pump–probe KPFM on organic solar cells

International audienceAn implementation of pump-probe Kelvin probe force microscopy (pp-KPFM) is reported that enables recording the time-resolved surface potential in single-point mode or over a 2D grid. The spectroscopic data are acquired in open z-loop configuration, which simplifies the pp-KPFM operation. The validity of the implementation is probed by measurements using electrical pumping. The dynamical photoresponse of a bulk heterojunction solar cell based on PTB7 and PC71BM is subsequently investigated by recording point-spectroscopy curves as a function of the optical power at the cathode and by mapping 2D time-resolved images of the surface photovoltage of the bare organic active layer

Multimodal Kelvin Probe Force Microscopy Investigations of a Photovoltaic WSe 2 /MoS 2 Type-II Interface

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Structure et propríétés électroniques à différentes échelles de systèmes modèles de polymères conducteurs et semi-conducteurs

Ce mémoire porte sur une étude multi-échelles des propriétés structurales et électroniques de systèmes pi-conjugués dopés et non dopés. La première partie est consacrée à une étude comparative entre la polyaniline et un oligomère modèle, la tétraaniline, tous deux dopes par HCl. Elle est essentiellement basée sur l’utilisation de méthodes de dynamique de spin qui permettent de sonder le mouvement des porteurs de charge (polarons) par leur spin : 1/ la RMN : mesure du temps de relaxation nucléaire longitudinal T1 en fonction de la fréquence, 2/ la RPE : mesure de la largeur de raie en fonction de la température et de l’oxygène adsorbé. Ces études ont permis de démontrer l’existence d’un comportement métallique de la conductivité microscopique dans le polymère, non présent dans le tétramère. Ce résultat tranche le débat existant sur l’origine de l’élargissement de la raie RPE du polymère à haute température. D’autre part, il apparaît que la conductivité microscopique est quasi-1D dans les deux composes, mais nettement plus élevée dans le polymère. Le processus d’auto-organisation de polymères p-conjugués non dopés, les poly(3-alkylthiophènes) regio-reguliers, est étudié dans la seconde partie par microscopie a effet tunnel. Sur des monocouches de poly(3-héxylthiophène) et de poly(3-dodécylthiophène) déposées sur graphite (HOPG), nous avons montré que la structuration a plusieurs échelles (zones organisées/zones amorphes, taille des nanocristallites, défauts ponctuels, repliements,) dépend des paramètres de dépôt et de post dépôt. Enfin, les premières études de spectroscopie tunnel 2D ont permis de sonder les propriétés électroniques du poly(3-dodécylthiophène).GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Calibrated work function mapping by Kelvin probe force microscopy

International audienceWe propose and demonstrate the implementation of an alternative work function tip calibration procedure for Kelvin probe force microscopy under ultrahigh vacuum, using monocrystalline metallic materials with known crystallographic orientation as reference samples, instead of the often used highly oriented pyrolytic graphite calibration sample. The implementation of this protocol allows the acquisition of absolute and reproducible work function values, with an improved uncertainty with respect to unprepared highly oriented pyrolytic graphite-based protocols. The developed protocol allows the local investigation of absolute work function values over nanostructured samples and can be implemented in electronic structures and devices characterization as demonstrated over a nanostructured semiconductor sample presenting Al0.7Ga0.3As and GaAs layers with variable thickness. Additionally, using our protocol we find that the work function of annealed highly oriented pyrolytic graphite is equal to 4.6 ± 0.03 eV

High resolution KPFM investigations of nanoscale phase segregated organic bulk heterojunctions

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Probing the Local Conformation within π-Conjugated One-dimensional Supramolecular Stacks using Frequency Modulation Atomic Force Microscopy

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Correct height measurements by Kelvin probe force microscopy: Poly(3-dodecylthiophene) on highly oriented pyrolytic graphite

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