Transport de charges dans des dendrimères semiconducteurs désordonnés par l'étude de courants transitoires limités par la charge d'espace.

The thesis concerns space-charge-limited transient current measurements in thin (le500 nm) organic films. Such films find important applications in organic electronics, where they are referred to as organic semiconductor layers. Electrical transport in such films depends on bulk charge carrier transport and trapping, as well efficiency of charge carrier injection from electrodes. These, are all in turn depend on disorder inherent to organic materials. The transient measurement approach is very attractive, as it can, in principle, deliver information on all these aspects in one single measurement. In the thesis, three main contributions are presented. 1) A transimpedance amplifier based setup for space-charge-limited current transient measurement is validated. This type of setup is superior to the widely used bridge circuit, notably because of better current sensitivity, bandwidth, no need for bridge symmetry and no need for per sample adjustment. It is demonstrated that initial displacement current spike, which saturates the amplifier at the beginning of measurement, does not introduce error in the measurement of mobility. 2) A dendrimer molecule has been investigated. Experimental current responses are shown to be in agreement with the drift-diffusion model. However, obtaining agreement requires well defined initial conditions in experiment as well as in simulation, and also complete theoretical model of the sample. In the case of dendrimer, this model had to take into account both contact barrier and trapping effects. Furthermore, better agreement was obtained when taking disorder effects into account. 3) The impossibility of obtaining any agreement without complete physical model of the sample indicates that trapping, contact barrier and mobility parameters could be fitted without ambiguity. Therefore, complete electrical characterization consistent with simulation can be obtained using the transient technique. The results obtained further increase well known usefulness of transient space-charge-limited current characterization of thin organic films.La thèse porte sur les mesures de courants transitoires limités par la charge d'espace dans des films minces organiques (épaisseur < 500 nm). Ce type de films est souvent utilisé dans des applications dans le domaine de l'électronique organique comme couches actives semi-conductrices. Le transport électrique dans ces films dépend en premier lieu du transport des porteurs de charge dans le milieu massif et de leur piégeage, mais aussi de l'efficacité de l'injection des porteurs de charges à partir des électrodes métalliques. L'ensemble est de plus conditionné par le taux de désordre inhérent aux matériaux organiques. L'approche qui consiste à utiliser la mesure de courants transitoires est extrêmement attractive car elle permet en principe de fournir une information sur tous ces aspects à l'issue d'un seul type de mesure. Dans ce cadre, trois contributions principales peuvent être dégagées de la thèse. 1) Tout d'abord, nous avons validé un montage expérimental qui utilise un amplificateur à transfert d'impédance pour la mesure des courants transitoires limités par la charge d'espace. Ce type de montage s'avère supérieur au circuit de pont électrique le plus largement utilisé jusqu'à maintenant car il présente une meilleure sensibilité en courant, une meilleure bande passante, et ne nécessite aucun réglage ni de la symétrie du pont ni de l'ajustement de la taille de l'échantillon. On a pu démontrer que le pic de courant de déplacement initial, qui sature l'amplificateur au tout début de la mesure n'introduit pas d'erreur dans la mesure de la mobilité. 2) Ensuite concernant l'étude plus spécifique du transport dans un dendrimère à base de tri-arylamine, les réponse en courant obtenues expérimentalement se sont avérées en bon accord avec le modèle de déplacement-diffusion. Cependant, la troisième leçon que nous avons apprise est que l'obtention d'un tel accord a nécessité que soient très bien définies les conditions initiales tant de l'expérience que de la simulation et qu'un modèle théorique le plus complet possible de l'échantillon soit considéré. Pour le dendrimère ce modèle a dû prendre en compte l'effet de la barrière au contact et les effets de piégeage. Un accord encore meilleur a été obtenu en intégrant de surcroit les effets de désordre. 3) La complète impossibilité d'obtenir un bon accord sans un modèle physique complet de l'échantillon indique que les paramètres liés au piégeage, à la barrière au contact et à la mobilité peuvent véritablement être ajustés sans aucune ambigüité. Ainsi, une caractérisation électrique complète en cohérence avec la simulation a pu être obtenue à l'issue d'un seul type de mesures. Les résultats obtenus, alliant à la fois amélioration technique et support numérique, témoignent de la grande utilité de cette technique de mesure de courant transitoire limité par la charge d'espace pour caractériser en détails le transport dans les films minces organiques

Transport de charges dans des dendrimères semiconducteurs désordonnés par l'étude de courants transitoires limités par la charge d'espace.

The thesis concerns space-charge-limited transient current measurements in thin (le500 nm) organic films. Such films find important applications in organic electronics, where they are referred to as organic semiconductor layers. Electrical transport in such films depends on bulk charge carrier transport and trapping, as well efficiency of charge carrier injection from electrodes. These, are all in turn depend on disorder inherent to organic materials. The transient measurement approach is very attractive, as it can, in principle, deliver information on all these aspects in one single measurement. In the thesis, three main contributions are presented. 1) A transimpedance amplifier based setup for space-charge-limited current transient measurement is validated. This type of setup is superior to the widely used bridge circuit, notably because of better current sensitivity, bandwidth, no need for bridge symmetry and no need for per sample adjustment. It is demonstrated that initial displacement current spike, which saturates the amplifier at the beginning of measurement, does not introduce error in the measurement of mobility. 2) A dendrimer molecule has been investigated. Experimental current responses are shown to be in agreement with the drift-diffusion model. However, obtaining agreement requires well defined initial conditions in experiment as well as in simulation, and also complete theoretical model of the sample. In the case of dendrimer, this model had to take into account both contact barrier and trapping effects. Furthermore, better agreement was obtained when taking disorder effects into account. 3) The impossibility of obtaining any agreement without complete physical model of the sample indicates that trapping, contact barrier and mobility parameters could be fitted without ambiguity. Therefore, complete electrical characterization consistent with simulation can be obtained using the transient technique. The results obtained further increase well known usefulness of transient space-charge-limited current characterization of thin organic films.La thèse porte sur les mesures de courants transitoires limités par la charge d'espace dans des films minces organiques (épaisseur < 500 nm). Ce type de films est souvent utilisé dans des applications dans le domaine de l'électronique organique comme couches actives semi-conductrices. Le transport électrique dans ces films dépend en premier lieu du transport des porteurs de charge dans le milieu massif et de leur piégeage, mais aussi de l'efficacité de l'injection des porteurs de charges à partir des électrodes métalliques. L'ensemble est de plus conditionné par le taux de désordre inhérent aux matériaux organiques. L'approche qui consiste à utiliser la mesure de courants transitoires est extrêmement attractive car elle permet en principe de fournir une information sur tous ces aspects à l'issue d'un seul type de mesure. Dans ce cadre, trois contributions principales peuvent être dégagées de la thèse. 1) Tout d'abord, nous avons validé un montage expérimental qui utilise un amplificateur à transfert d'impédance pour la mesure des courants transitoires limités par la charge d'espace. Ce type de montage s'avère supérieur au circuit de pont électrique le plus largement utilisé jusqu'à maintenant car il présente une meilleure sensibilité en courant, une meilleure bande passante, et ne nécessite aucun réglage ni de la symétrie du pont ni de l'ajustement de la taille de l'échantillon. On a pu démontrer que le pic de courant de déplacement initial, qui sature l'amplificateur au tout début de la mesure n'introduit pas d'erreur dans la mesure de la mobilité. 2) Ensuite concernant l'étude plus spécifique du transport dans un dendrimère à base de tri-arylamine, les réponse en courant obtenues expérimentalement se sont avérées en bon accord avec le modèle de déplacement-diffusion. Cependant, la troisième leçon que nous avons apprise est que l'obtention d'un tel accord a nécessité que soient très bien définies les conditions initiales tant de l'expérience que de la simulation et qu'un modèle théorique le plus complet possible de l'échantillon soit considéré. Pour le dendrimère ce modèle a dû prendre en compte l'effet de la barrière au contact et les effets de piégeage. Un accord encore meilleur a été obtenu en intégrant de surcroit les effets de désordre. 3) La complète impossibilité d'obtenir un bon accord sans un modèle physique complet de l'échantillon indique que les paramètres liés au piégeage, à la barrière au contact et à la mobilité peuvent véritablement être ajustés sans aucune ambigüité. Ainsi, une caractérisation électrique complète en cohérence avec la simulation a pu être obtenue à l'issue d'un seul type de mesures. Les résultats obtenus, alliant à la fois amélioration technique et support numérique, témoignent de la grande utilité de cette technique de mesure de courant transitoire limité par la charge d'espace pour caractériser en détails le transport dans les films minces organiques

Organic bulk heterojunction photodetectors based on polymer blends with unbalanced mobilities

We investigate bulk heterojunction organic photodetectors with unbalanced charge carrier mobilities in the active layer. We present an experimental example of an organic photodiode with very unbalanced mobilities but achieving state-of-the-art parameters in terms of external quantum efficiency exceeding 75% (at illumination 638 nm), and of bandwidth exceeding 1 MHz. The active layer of the photodiode is a 50 nm thick bulk heterojunction made of a blend of PCBM and copolymer of 5,6-difluoro2,1,3-benzothiadiazole, with mobility of slower charge carriers of order of 5 x 10(-7)cm(2) (Vs)(-1)&amp;lt;i, estimated using space-charge-limited photocurrent technique. To understand why such a low mobility does not have deteriorating effects on the photodetecting performance of the photodiode, we performed drift-diffusion simulations of bulk heterojunction photodiodes with Langevin recombination. According to the simulation, the bandwidth of the photodiode is approximately independent of the mobility of slower charge carriers in the blend, and the negative effect of low mobility on the responsivity can be compensated by increasing the reverse bias. Our study shows that well-performing organic photodetectors can be fabricated using organic semiconductors having too low mobility for photovoltaic applications

Inkjet printing of super yellow : Ink formulation, film optimization, OLEDs fabrication, and transient electroluminescence

Inkjet printing technique allows manufacturing low cost organic light emitting diodes (OLEDs) in ambient conditions. The above approach enables upscaling of the OLEDs fabrication process which, as a result, would become faster than conventionally used vacuum based processing techniques. In this work, we use the inkjet printing technique to investigate the formation of thin active layers of well-known light emitting polymer material: Super Yellow (poly(para-phenylene vinylene) copolymer). We develop the formulation of Super Yellow ink, containing non-chlorinated solvents and allowing stable jetting. Optimization of ink composition and printing resolution were performed, until good quality films suitable for OLEDs were obtained. Fabricated OLEDs have shown a remarkable characteristics of performance, similar to the OLEDs fabricated by means of spin coating technique. We checked that, the values of mobility of the charge carriers in the printed films, measured by transient electroluminescence, are similar to the values of mobility measured in spin coated films. Our contribution provides a complete framework for inkjet printing of high quality Super Yellow films for OLEDs. The description of this method can be used to obtain efficient printed OLEDs both in academic and in industrial settings

Inkjet Printing of an Electron Injection Layer: New Role of Cesium Carbonate Interlayer in Polymer OLEDs

Among solution-processable techniques, inkjet printing is a potential method for manufacturing low-cost and high-resolution polymer organic light-emitting diodes (PLEDs) for displays/solid-state lighting applications. Herein, we demonstrate use of the inkjet printed cesium carbonate (Cs2CO3) film as an electron injection interlayer. We have elaborated the Cs2CO3 ink using an alcohol-based solvent for the industrial-grade printhead. The printed Cs2CO3 layer morphology was investigated by means of an optical microscope and an atomic force microscope. The PLEDs based on emissive polymer (Super Yellow) with printed Cs2CO3 interlayer show a remarkable current efficiency and luminance compared to the PLEDs made without the Cs2CO3 layer. Such results suggest that the Cs2CO3 is a promising material for the formulation of the electron injecting inkjet inks. The possibility of inkjet printing of an efficient electron injecting layer enables in situ patterning of PLEDs&rsquo; emission area. Such a simple and flexible technique can be applied for a wide range of applications such as signage, pictograms, advertising, smart packaging, etc