Thermal conductivity of organic semi-conducting materials using 3omega and photothermal radiometry techniques

Organic semiconductors for opto-electronic devices show several defects which can be enhanced while increasing the operating temperature. Their thermal management and especially the reduction of their temperature are of great interest. For the heat transfer study, one has to measure the thermal conductivity of thin film organic materials. However the major difficulty for this measurement is the very low thickness of the films which needs the use of very specific techniques. In our work, the 3-omega and photothermal radiometric methods were used to measure the thermal conductivity of thin film organic semiconducting material (Alq3). The measurements were performed as function of the thin film thickness from 45 to 785 nm and also of its temperature from 80 to 350 K. With the 3 omega method, a thermal conductivity value of 0.066 W.m−1K−1 was obtained for Alq3 thin film of 200 nm at room temperature, in close agreement with the photothermal value. Both techniques appear to be complementary: the 3 omega method is easier to implement for large temperature range and small thicknesses down to a few tens of nanometers whereas the photothermal method is more suitable for thicknesses over 200nm since it provides additional information such as the thin film volumetric heat capacity

Spectroscopic and Photoluminescent Properties of Nanostructured Polyfluorenes/TiO2 Composite Films used for OLEDs

In this work we present spectroscopic and photoluminescent properties of nanostructured polymeric composite films of nanocrystalline TiO2 and polyfuorenes (PF+nc-TiO2). The films were deposited onto glass and KBr substrates by spin-coating PF-in-toluene solution with embedding of 5-nm thick nc-TiO2 particles. The nc-TiO2 wt concentration embedded in PF was chosen as 1%, 2% and 4%. The FTIR, FTR, UV-VIS-NIR and photoluminescence characterization were carried-out to study the influence of oxide nanoparticles on the absorption spectra, molecular structures and emissive luminescence of the composites. It was shown that the presence of TiO2 nanoparticles results in improvement of charge separation of carriers generated by light excitation. Under a short wavelength excitation, in some samples a PL enhancement was observed. Under normal or long wavelength excitation, PF fluorescence quenching occurred for all the composites. Aging process of the composites was also investigated

Raman characterization of singlewalled carbon nanotubes and PMMA-nanotubes composites

The Raman spectroscopy have allowed us to perform studies on singlewalled nanotubes (SWNT's) produced by following methods: electric arc, laser ablation and solar energy. As this characterization method provides a great deal of informations, we will present a comparison between the nanotubes produced by all these processes and the influence of some synthesis parameters. By using spin casting, we have produced thin films of PMMA-SWNT's for different concentrations. Then, we have characterized these new materials by Raman spectroscopy. The aim of these investigations is to get information on the possible interactions between these two materials. In particular, we have studied the evolution of the composites films spectra as a function of the nanotubes concentration in the polymer.This work has been fully supported by the European Community through its Training and Mobility of Researcher program under network contract : NAMITECH, ERBFMRX- CT96-0067 @GlZ-MIHT) and by the tiench CNRS program : ULTIMATECH.Peer reviewe

Réalisation et étude des diodes à base d'un dérivé de poly (p-phénylène vinylène) (PPV) (le 4,4'-bis (4-diméthylaminostyryl) benzène (DMASB))

Depuis la découverte des matériaux organiques conducteurs dans les années 70, les matériaux inorganiques n'ont plus le monopole des composants électroniques, notamment dans le domaine de l'affichage. En effet, les diodes électroluminescentes organiques ont fait leur apparition. Parmi les matériaux organiques le PPV est l'un des premiers à être utilisés. Le travail de cette thèse porte sur un dérivé du PPV : le DMASB. Nous avons caractérisé le DMASB et nous avons fabriqué des diodes électroluminescentes organiques à base du DMASB. Puis nous avons étudié les mécanismes de conduction de ces diodes. Les résultats obtenus ne concordaient pas avec la théorie classique. Nous avons donc analysé nos diodes avec l'XPS. Ces analyses montrent qu'il y a des interactions chimiques aux interfaces formées lors des dépôts sous vide des différentes couches. Ces modifications doivent être prises en considération dans l'interprétation des caractéristiques électriques.Realization and study of diodes based on a poly(p-phenylene vinylene) (PPV) derivative: the 4,4'-bis(4-dimethylaminostyryl) benzene (DMASB). Influence of the interfaces on the electrical characteristics and the transport mechanisms. Since the discovery of the conducting organic materials in the 70s, inorganic materials is no more dominant in the fabrication of the electronic devices, especially in displays. Indeed, organic light emitting diodes have been studied. Among organic materials, the PPV is one of the most commonly used one. In this work, we fabricated and studied light emitting diodes made with a derivative of the PPV: the DMASB. We have examined the conduction mechanisms involved in these diodes. The obtained results could not be explained using classical concepts of semiconductors. We have then analyzed our diodes with XPS. The analyses showed that chemical reactions have occurred in the interfaces formed during the deposition of the layers. These modifications should be taken into account in interpreting the electrical data.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Concept, réalisation et étude d'un matériau composite intégrable au procédé de fabrication des condensateurs de haute performance

For their use in high technology equipments, tantalum capacitors are required to have low Equivalent Series Resistance (ESR). The purpose of this work is to study a stable doped polymer for a possible replacement of MnO2, a poor conductor material used as a cathode. We have first studied the behaviour of Ta2O5 oxides, especially their dielectric strength, the effect of thermal annealing and chemical elements incorporation. We have shown that the stability and the good electric conductivity of PEDT polymer are suitable for its using as a cathode material. During the capacitor realization, the filling process of the porous tantalum anodes with polymeric solution has been optimised. Finally, the electrical tests showed a steady capacitance on a large range of frequency with lower ESR values compared to the conventional capacitors. To certify the validity of our results, life tests were carried out during 1000 hours and indicated that almost the electrical parameters remained stable.Les exigences des circuits imposent aux condensateurs au tantale d'avoir de faibles valeurs de résistance série équivalente (RSE). Ce travail vise à remplacer le MnO2, matériau peu conducteur utilisé comme cathode par un polymère suffisamment stable et dopé. D'abord, nous avons mis en évidence le rôle du recuit dans la stabilisation du Ta2O5 et le rôle des éléments chimiques incorporés dans le renforcement de sa rigidité diélectrique. Nous avons montré que la stabilité et la bonne conductivité électrique du polymère PEDT conviennent à son utilisation comme cathode. Durant la réalisation des condensateurs, nous avons testé les procédés pour optimiser le remplissage des anodes de tantale avec la solution polymère. Finalement, les tests électriques montrent une capacité stable sur une large gamme de fréquence et des valeurs de RSE inférieurs à celles des condensateurs conventionnels. Les paramètres électriques restent stables pendant 1000 h ce qui assure la validité de nos résultats.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Etude des défauts électriquement actifs dans les cellules solaires organiques

L objectif de ce travail est d'étudier les cellules solaires organiques à base de poly(3-hexylthiophène):[6,6]-phényl-C61-butyrate de méthyle (P3HT:PCBM) et de déterminer les paramètres de pièges dans ces dispositifs. Tout d abord, les caractérisations spectroscopiques et morphologiques des films de polymère ainsi que l'étude de l'évolution des couches après vieillissement ont été réalisées. Les rendements des cellules utilisant des mélanges de composition variable comme couche active ont été déterminés. Pour les matériaux employés, le meilleur rendement a été obtenu pour un rapport P3HT/PCBM égal à 1,25. L analyse effectuée sur les films conduit à la conclusion que la performance des cellules est dépendante de l organisation des domaines nanométriques du mélange, qui elle-même est fonction de la solubilité des matériaux dans le solvant. L analyse des caractéristiques électriques de courant-tension des cellules suggère une conduction par la charge d'espace avec des pièges présents dans la couche active. L'étude approfondie des défauts a été réalisée par mesures de courant thermiquement stimulé complété par celle de spectroscopie des pièges profonds par la charge. Les paramètres de pièges ont été déterminés dans les cellules utilisant le P3HT et les mélanges de P3HT:PCBM, de compositions différentes. Les niveaux de pièges spécifiques dans les matériaux ont été identifiés et comparés aux résultats rapportés dans la littérature. Ce travail constitue une première approche de caractérisation de pièges dans les cellules solaires organiques par des techniques adaptées aux semiconducteurs organiques.The objective of this work is to study organic solar cells using poly(3-hexylthiophene):[6,6]-phenyl-C61-butyrate de methyle (P3HT:PCBM) blend as a photoactive layer and to determine the trap parameters in these devices. First, we performed the spectroscopic and morphological characterizations of the polymer thin films and we studied their evolution after aging. The effficiencies of the solar cells using blends of different compositions as an active layer were then determined. For the materials used in this work, the best efficiency was obtained for the blend having a P3HT/PCBM ratio of 1.25. Structural analyses of the blend films suggested that the cell efficiency depends on the organization of the nano-domains in the blend, which in turn is dependent of the solubility of the organic materials. Analysis of the current-voltage characteristics of the solar cells indicated a space charge limited conduction (SCLC) with a trap filling process. The defect study was completed by making use of the Thermally Stimuleted Current technique and the charge based Deep Level Transient Spectroscopy. The trap parameters were determined for devices using P3HT polymer and P3HT:PCBM blends of different compositions as a photoactive layer. The trap levels of the materials were determined and were compared to those reported in the literature. This study is a original work on the characterization of traps in organic solar cells by performing several techniques which are proved to be adapted for organic semiconductorsNANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Etude des matériaux composites à base de poly (p phénylène vinylène) et de nanoparticules inorganiques (application aux dispositifs électroniques)

Le poly (p-phénylène vinylène) (PPV) est particulièrement adapté au développement des diodes électroluminescentes organiques grâce à sa facilité de mise en oeuvre et ses bonnes propriétés optiques (absorption, photoluminescence, ...). L'objectif de cette thèse est de réaliser et de caractériser des composites à base de PPV et de nanoparticules poreuses en vue de leur intégration comme matériaux actifs dans les dispositifs électroniques. Dans un premier temps, des films composites homogènes de différentes concentrations en silicium poreux ont été réalisés. L'étude des propriétés optiques des films composites par spectroscopie de diffusion Raman et par absorption optique a permis de démontrer que la longueur de conjugaison du polymère reste globalement inchangée. Les spectres de photoluminescence ont fait apparaître une faible contribution des grains de silicium poreux dans les composites qui peut être attribuée au vieillissement des grains par oxydation. La caractérisation électrique des diodes électroluminescentes utilisant ces composites comme couche active a permis de montrer que la densité de courant augmente avec la concentration des grains.Poly (p phenylene vinylene) (PPV) is particularly well adapted to the fabrication of organic light emitting diodes because it has a good optical properties (absorption, photoluminescence,...) and can easily be deposited in films.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Étude des défauts électriquement actifs dans les dispositifs à base de matériaux organiques

Dans ce travail de thèse, les défauts électriquement actifs ont été étudiés à partir de mesures de charges thermiquement stimulées dans des diodes électroluminescentes organiques. Les caractérisations électriques des défauts ont été corrélées aux différents mécanismes qui jouent un rôle clé dans les performances des diodes organiques tels que les interfaces, le vieillissement et le dopage. Les études sur l influence des électrodes dans deux types polymères à base de polydiacéthylène et de polyfluorène ont permis d observer la formation de pièges aux voisinages des interfaces électrode-polymère, en particulier à l interface entre la couche d injection de trous et le polymère actif. L étude du vieillissement des diodes sous l effet du champ électrique a révélé une augmentation des défauts déjà existants dans les dispositifs non dégradés sans modifier leur nature. L influence du dopage sur les caractéristiques de pièges dans les polymères a été étudiée en utilisant deux types de dopage: par des petites particules inorganiques et par des matériaux phosphorescents organométalliques. Les deux études présentées ont montré que le dopage des matériaux organiques modifie la structure électronique des couches semi-conductrices des dispositifs. Le dopage a pour effet d introduire de nouveaux types pièges mais également de réduire la densité des pièges présents dans le polymère non dopé. L ensemble de ces études peut permettre de mieux comprendre les conditions de formation des défauts et d optimiser les performances des diodesIn this work, the electrically active defects have been investigated from the measurements of thermally released charges in organic light emitting diodes. The electrical characterisation of defects has been studied in devices in order to understand their influence on the interfaces, the ageing and the doping processes. The investigation on the electrode influences in two types of polymers based on polydiacethylene and polyfluorene have shown the trap formations in the vicinity of electrode-polymer interfaces, especially that formed between the hole injection layer and the active polymer. The study of electrical ageing of diodes has shown an increase of the defect densities already present in the fresh device without changing their nature. The influence of doping process on the trap characteristics in polymers have been investigated by using two types of doping: by inorganic small particles and by phosphorescent organometallic materials. Both studies have shown that the doping of organic materials change the electronic structure of semiconducting layers of devices. The doping leads to the creation of trap levels and the reduction of the trap densities present in undoped polymer. These investigations shed new light on defect formations for the optimization of diode performances.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Electrically active defects in organic semiconductors

International audienc

Cellules solaires photovoltaïques plastiques nanostructurées

L'effet photovoltaïque est une des voies qui s'est significativement développée au cours des dernières années afin de trouver une alternative à la production d'énergies non-renouvelables. Afin de diminuer le coût de fabrication de ces dispositifs photovoltaïques, une solution consiste à remplacer le silicium par des matériaux organiques. Les cellules solaires organiques sont une technologie en pleine émergence qui ambitionne la fourniture de cellules solaires plus flexibles dans tous les sens du terme : mécanique, fabrication, propriétés électro-optiques. Un défi auquel la recherche est confrontée aujourd'hui est l'obtention de matériaux organiques stables et solubles qui absorbent aux longueurs d'ondes du proche infrarouge. Ce travail de thèse réalisé dans l'Équipe de Recherche Technologique CSPVP de l'Université d'Angers a pour objectif de relever le défi. La première partie de notre travail est consacrée à l'utilisation de nouveaux dérivés de fullerènes. Afin d'améliorer l'absorption du fullerène C60 ou/et de chercher de possibles alternatives au PCBM, des nouveaux composés ont été synthétisés. Ces nouveaux dérivés peuvent être répartis en: dyades C60-PDI(R=OPhtBu, Cl), cyclopropano[60]fullerènes et cyclopropano[70]fullerènes de type Bingel porteurs de deux groupes esters C60(ou 70)>(CO2R1)(CO2R2), et l'adduit-1,4 C60(CH2CO2tC4H9)2. Ces dérivés de fullerènes ont été incorporés dans les couches photo-actives des cellules solaires à base du polymère conjugué poly(3-hexylthiophène) (P3HT), en tant que matériau de type accepteur. Tous ont été utilisés en cellules solaires pour lesquelles nous avons cherché à préciser la relation entre structure moléculaire et performances photovoltaïques via la morphologie de la couche active. Des études supplémentaires ont été effectuées afin de corroborer les résultats photovoltaïques (PV) avec les propriétés physico-chimiques des matériaux. La deuxième partie est consacrée à des études physico-chimiques réalisées sur des différents nanotubes de carbones mono-feuillets (SWCNT) fonctionnalisés par des groupements esters. Ces nanotubes fonctionnalisés présentent une meilleure dispersion dans les solvants organiques. Ils ont été étudiés et comparés à différentes concentrations dans des cellules solaires à base de P3HT :PCBM. Des travaux complémentaires ont été effectués sur des dérivés de poly(phénylène vinylène) (PPV) et des dérivés de polythiophène, et des cellules élaborées à partir de dérivés de carbazole attaché sur le noyau de C60 et déposés sur des substrats ITO/PEDOT :PSS par électropolymérisation. En conclusion, nous passons en revue les paramètres qui contribuent directement aux performances photovoltaïques des cellules étudiées.The photovoltaic effect is one of the options which significantly developed during the last years in order to find an alternative to non-renewable energy production. In order to reduce the manufacturing costs of photovoltaic devices, a solution consists in replacing silicon by organic materials. The organic solar cells are an emerging technology which ambitions the supply of more flexible solar cells in all the meanings of the term: mechanics, manufacture, electrooptic properties. A challenge with which research is confronted today is obtaining stable and soluble organic materials which absorb at near-infrared wavelengths. This PhD work which was carried in the Technological Research Team CSPVP of the University of Angers aims at taking up the challenge. The first part of our work is devoted to the use of new fullerene derivatives. In order to improve absorption of the fullerene C60 and/or to seek for possible alternatives to the PCBM, new compounds were synthesized. The new derivatives can be divided into: C60-PDI dyads (R=OPhtBu, Cl), cyclopropano [60] fullerenes and cyclopropano [70] fullerenes. These fullerene derivatives were incorporated in the photo-active layers of solar cells containing poly (3-hexylthiophene) (P3HT) polymer. All were used in solar cells for which we could specify the relation between the molecular structure and the photovoltaic performances via the morphology of the active layer. Additional studies were carried out in order to corroborate the photovoltaic results with the physicochemical properties of the materials. The second part is devoted to physicochemical studies carried out on different carbon nanotubes mono-layers (SWCNT) functionalized by ester group. These functionalized nanotubes offer a better dispersion in organic solvents. They were studied and compared at various concentrations in solar cells containing P3HT: PCBM. Complementary work was carried out on derivatives of poly (phenylene vinylene), polythiophene, and carbazol attached to the C60 core which were deposited on ITO/PEDOT: PSS substrates by electropolymerisation. Conclusion is a review the parameters which contribute directly to the photovoltaic performances of the studied cells.ANGERS-BU Lettres et Sciences (490072106) / SudocSudocFranceF