Elaboration, caractérisation et optimisation de diodes électroluminescentes à base de polymères conjugués

Cette thèse concerne l'étude des diodes électroluminescentes à base de matériaux semiconducteurs polymères (PLEDs). Cette technologie est prometteuse pour la fabrication d'écran plats à bas coûts. Plusieurs polymères dérivés du poly(phénylènevinylène) (PPVs) comme le MEH-PPV et le BDMO-PPV ont été étudiés. Ces travaux se divisent en trois parties distinctes. Tout d'abord, des aspects technologiques liés à la fabrication des composants sont abordés : comme le choix des matériaux d'électrodes, ou encore l'étude de l'effet de la rugosité de l'ITO sur les performances des diodes électroluminescentes. Cette rugosité s'avère être un paramètre critique sur les durées de vie des dispositifs. L'analyse des mécanismes de transfert de charges au sein des diodes est ensuite abordée par l'étude de l'effet de la température sur les caractéristiques courant-tension-luminance des dispositifs mais aussi sur l'allure de leur spectre d'électroluminescence. Au sein des PPVs, le porteur majoritaire s'avère être le trou. Par conséquent, l'optimisation des performances des PLEDs est montrée possible par l'ajout d'une couche additionnelle à base de petites molécules évaporées entre le polymère émissif et la cathode afin de confiner ces porteurs à améliorer la balance des charges.This thesis deals with the study of polymer light-emitting diodes (PLEDs) which present many attractive properties to develop a new display technology. Poly(phenylenevinylene) derivatives (PPVs) such as MEH-PPV and BDMO-PPV have been studied. Three parts may be considered in this work. First, technological aspects related to device fabrication are studied, such as the electrode material choice or the effect of the ITO roughness on the performances of PLEDs. This roughness was found to be a critical parameter in terms of device lifetime. Then, charge transfer mechanisms through the polymer are evaluated by the study of the temperature dependence of current-voltage-luminance curves as well as of the temperature dependence of the electroluminescence spectra. Holes are found to be the majority charge carriers in PPVs. As a consequence, in the last part, device optimisation is made possible by addition of a specific vacuum evaporated molecular layer between the emissive polymer and the cathode to improve the charge balance

Stabilisation thermique de la couche photo-active d une cellule solaire organique par réticulation

Dans une configuration optimale, la couche photo-active d une cellule solaire organique forme une hétérojonction volumique entre un matériau donneur et un matériau accepteur d électrons. Cette morphologie optimale se trouve dans un état thermodynamique métastable. En cours de fonctionnement, l absorption incidente provoque une élévation de la tempéra- ture des dispositifs. L apport d énergie thermique au système le fait évoluer vers un état thermodynamique stable correspondant à une micro-séparation de phase entre les deux matériaux nuisible aux performances photovoltaïques du dispositif. La solution à cette problématique envisagée dans cette thèse est de figer la morphologie optimale de la couche photo-active par réticulation chimique. Dans le but de prévenir la diffusion et la cristallisation des dérivés du fullerène, plusieurs approches ont été étudiées : la formation d une maille de polymères réticulés, l accroche des dérivés du fullerène aux chaînes du polymères ou la liaison entre plusieurs dérivés du fullerène. Les différentes fonctions réticulantes utilisées dans ces approches sont l allyle, le cinnamate, l anthracène et l azoture. Au cours de ces travaux, des résultats satisfaisants ont été obtenus avec la fonction azoture. Basé sur cette fonction, nous avons développé un additif qui permet d augmenter notablement la stabilité thermique des cellules solaires réticulées. Cette approche a été validée sur plusieurs couples de matériaux polymères/dérivés du fullerène à l état de l art.Efficient bulk-heterojunction solar cells require an interpenetrating network of electron donating and electron accepting materials. Indeed, the optimum nano-sized phase segregation is a thermodynamically metastable system. Under operating conditions, especially under solar illumination, the temperature of the solar cell increases significantly. Adding thermal energy to the system leads to further micro-phase separation that is harmful for photovoltaic device performances. In order to freeze the optimal morphology, several approaches based on chemical cross-linking have been studied : formation of cross-linked polymer network, binding fullerene derivatives to polymer side chains or cross-linking between fullerene derivatives. Different cross-linkable functions have been used : allyl, cinamate, anthracene and azide. A versatile stabilization strategy of bulk heterojunctions morphology has been found by mean of incorporating a cross-linkable additive in low amounts with different polymer :fullerene blends. This approach is validated on multiple materials at the state-of-the-art.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

New 3,3'-(ethane-1, 2-diylidene)bis(indolin-2-one) (EBI)-based small molecule semiconductors for organic solar cells

A series of donor-acceptor-donor (D-A-D) structured small-molecule compounds, with 3,3'-(ethane-1,2-diylidene)bis(indolin-2-one) (EBI) as a novel electron acceptor building block coupled with various electron donor end-capping moieties (thiophene, bithiophene and benzofuran), were synthesized and characterized. When the fused-ring benzofuran is combined to EBI (EBI-BF), the molecules displayed a perfectly planar conformation and afforded the best charge tranport properties among these EBI compounds with a hole mobility of up to 0.021 cm2 V-1 s-1. All EBI-based small molecules were used as donor material along with a PC61BM acceptor for the fabrication of solution-processed bulk-heterojunction (BHJ) solar cells. The best performing photovoltaic devices are based on the EBI derivative using the bithiophene end-capping moiety (EBI-2T) with a maximum power conversion efficiency (PCE) of 1.92%, owing to the broad absorption spectra of EBI-2T and the appropriate morphology of the BHJ. With the aim of establishing a correlation between the molecular structure and the thin film morphology, differential scanning calorimetry, atomic force microscopy and X-ray diffraction analysis were performed on neat and blend films of each material

J.Mater.Chem.C

Correction for ‘“Heavy-atom effects” in the parent [1]benzochalcogenopheno[3,2-b][1]benzochalcogenophene system’ by Chengyuan Wang et al., J. Mater. Chem. C, 2020, 8, 15119–15127, DOI: https://doi.org/10.1039/D0TC01408G

Structural Odd–Even Effect Impacting the Dimensionality of Transport in BTBT‐CnOH Organic Field Effect Transistors

The synthesis and characterization of a series of [1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene (BTBT) molecules disubstituted by hydroxy aliphatic chains in positions 2 and 7 (BTBT-CnOH), where the intralayer molecular stacking alternates between a classical and an inverted herringbone mode as a function of whether the alkyl sides chains have an even or an odd number of carbon atoms are reported. This odd–even effect does not only affect the interlayer distance of the lamellar structures and the melting points, but also the electronic properties. The BTBT-CnOH odd series develops a classical herringbone pattern with edge-to-edge S⋯S interaction chains linked together by face-to-edge S⋯S interaction chains with 2D mobility. However, the even series has only edge-to-edge interactions in an inverted herringbone organization and thus only a 1D conducting character. These two types of herringbone patterns have different field effect transistor characteristics and mobilities, those of the odd members being systematically higher than their even neighbors. This is the first example of an odd–even effect impacting the electronic properties of an organic semiconductor.Modules solaires photovoltaïques organiques de grande surface à hauts rendements stabilisé

Managing Local Order in Conjugated Polymer Blends via Polarity Contrast

The optoelectronic landscape of conjugated polymers is intimately related to their molecular arrangement and packing, with minute changes in local order, such as chain conformation and torsional backbone order/disorder, frequently having a substantial effect on macroscopic properties. While many of these local features can be manipulated via chemical design, the synthesis of a series of compounds is often required to elucidate correlations between chemical structure and macromolecular ordering. Here, we show that blending semiconducting polymers with insulating commodity plastics enables controlled manipulation of the semiconductor backbone planarity. The key is to create a polarity difference between the semiconductor backbone and its side chains, while matching the polarity of the side chains and the additive. We demonstrate the applicability of this approach through judicious comparison of regioregular poly(3-hexylthiophene) (P3HT) with two of its more polar derivatives, namely the diblock copolymer poly(3-hexylthiophene)-block-poly(ethylene oxide) (P3HT-b-PEO) and the graft polymer poly[3-but(ethylene oxide)thiophene] (P3BEOT), as well as their blends with poly(ethylene oxide) (PEO). Proximity between polar side chains and a similarly polar additive reduces steric hindrance between individual chain segments by essentially "expelling" the side chains away from the semiconducting backbones. This process, shown to be facilitated via exposure to polar environments such as humid air/water vapor, facilitates backbone realignment toward specific chain arrangements and, in particular, planar backbone configurations

Janus organic semiconductor nanoparticles prepared by simple nanoprecipitation

Nanoparticles (NPs) of donor–acceptor organic semiconductors are produced by a one-step nanoprecipitation with Janus morphology. Electron donor P3HT was blended with electron acceptor PC61BM in tetrahydrofuran and then precipitated in water, first with surfactant and second without surfactant. Cryogenic transmission electron microscopy reveals an internal Janus structure at high magnification, for NPs which have, in the past, been reported to have a molecularly intermixed morphology. Synchrotron-based scanning transmission X-ray microscopy confirmed the segregation of the organic semiconductors and photoluminescence experiments showed an efficient electron transfer from P3HT to PC61BM. Organic field effect transistors were fabricated with these Janus NPs and showed that the positive charges can be efficiently transported through thin films. This behavior proves that the NPs possess an electron-accepting face (the PC61BM face) able to transport electrons and a hole-accepting face (the P3HT face) for the conduction of holes. Finally, the deposition of silver via the photoreduction of a silver salt (AgNO3(aq)) was demonstrated, as a proof of concept. These experiments show the potential of the Janus NPs for photovoltaics but also photocatalytic reactions in which reduction and oxidation reactions can occur at opposite sides of the nanoreactor (the individual Janus NPs).E2SEncres aqueuses colloïdales de semi-conducteurs organiques pour le photovoltaïqu

Intégration d'une fonction de discrimination intelligente du type d'appui sur une dalle tactile résistive multipoints

Ce travail de thèse a été réalisé grâce à une collaboration entre le laboratoire IMS (Université Bordeaux 1, CNRS) et la société STANTUM dans le cadre d une bourse CIFRE.La thématique étudiée se positionne dans le domaine en pleine expansion des interfaces tactiles intégrées dans les écrans. La mise en production ces dernières années des systèmes multi-touches a permis l arrivée sur le marché grand public de nombreux dispositifs tels que les GPS, les Smartphones ou encore les tablettes. Malgré tout, de nombreux problèmes sont encore à résoudre, en particulier la possibilité d avoir une écriture naturelle via un stylet, en posant la main sur la tablette comme sur une feuille de papier. Après un rappel sur l historique et sur l intérêt des dalles tactiles comme interface homme/machine, le premier chapitre présente les principales technologies actuelles et la technologie iVSM développée par STANTUM. La structure des dalles tactiles et les différentes étapes de fabrication de ces dernières sont abordées dans le deuxième chapitre. Nous avons ensuite développé un modèle théorique permettant de décrire le fonctionnement et les limitations de la technologie. Ces dernières peuvent survenir lorsque l utilisateur écrit sur la dalle tactile et peuvent empêcher, dans certaines configurations, une bonne reconnaissance d écriture. Deux approches sont proposées dans le quatrième chapitre pour corriger ces phénomènes inhérents : la couche résistive et les diodes intercalées. Le dernier chapitre est dévolu à la partie expérimentale. Tout d abord, les différentes approches dédiées à la réalisation d une couche résistive, que ce soit par enduction par sol-gel ou encore par pulvérisation cathodique, sont présentées. Pour la caractérisation des dalles tactiles, nous avons mis en place des facteurs de qualité permettant de juger efficacement de l amélioration des performances et avons également pris en compte les paramètres de dureté, d adhésion et surtout d état de surface des couches intermédiaires. La seconde partie de ce chapitre se focalise sur la réalisation des diodes par les approches couches minces (jonction tunnel par PVD, diode organique et jonction PN en silicium amorphe).This work comes from close collaboration between IMS laboratory (University of Bordeaux 1, CNRS) and STANTUM. This thesis is focused on tactile interface integrated on display. Recently multitouch systems became compatible for consumer electronic market which led to incoming devices such as GPS, Smartphones and tablet PC. However troubles still remained. Performing the discrimination between finger, palm and stylus was still an insuperable technology step to provide natural handwriting input on a display. After reminding a brief historic and the interest as human to machine interface, the first chapter presents the dominating touch screen technologies at the moment and the iVSM STANTUM technology. Touch screen structure and fabrication processes are approached, including industrial step as laser patterning or stencil printing. Then a theoretical model is detailed to explain the iVSM scanning engine and the inherent phenomena. These latter can occur when user is writing on the display with stylus in certain configurations. Two approaches are discussed in the third chapter in order to cut off or at least decrease those phenomena amplitude: the resistive layer and the embedded matrix diodes. The last chapter is dedicated to experimental results. Firstly, several processes, as doctor-blade and physical vapor deposition, are explained. Characterization is performed in using quality factors, to specifically evaluate inherent phenomena decreasing. Hardness, roughness and surface morphology are also discussed in this chapter. The second part is focused on embedded matrix diodes using thin film technologies (tunnel junction, organic diode and a-Si PN junction).BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Elaboration, caractérisation et optimisation de diodes électroluminescentes à base de polymères conjugués

Cette thèse concerne l étude des diodes électroluminescentes à base de matériaux semi-conducteurs polymères (PLEDs). Cette technologie est prometteuse pour la fabrication d écran plats à bas coûts. Plusieurs polymères dérivés du poly(phénylènevinylène) (PPVs) comme le MEH-PPV et le BDMO-PPV ont été étudiés. Ces travaux se divisent en trois parties distinctes. Tout d abord, des aspects technologiques liés à la fabrication des composants sont abordés: comme le choix des matériaux d électrodes, ou encore l étude de l effet de la rugosité de l ITO sur les performances des diodes électroluminescentes. Cette rugosité s avère être un paramètre critique sur les durées de vie des dispositifs. L analyse des mécanismes de transfert de charges au sein des diodes est ensuite abordée par l étude de l effet de la température sur les caractéristiques courant-tension-luminance des dispositifs mais aussi sur l allure de leur spectre d électroluminescence. Au sein des PPVs, le porteur majoritaire s avère être le trou. Par conséquent, l optimisation des performances des PLEDs est montrée possible par l ajout d une couche additionnelle à base de petites molécules évaporées entre le polymère émissif et la cathode afin de confiner ces porteurs à améliorer la balance des charges.This thesis deals with the study of polymer light-emitting diodes (PLEDs) which present many attractive properties to develop a new display technology. Poly(phenylenevinylene) derivatives (PPVs) such as MEH-PPV and BDMO-PPV have been studied. Three parts may be considered in this work. First, technological aspects related to device fabrication are studied, such as the electrode material choice or the effect of the ITO roughness on the performances of PLEDs. This roughness was found to be a critical parameter in terms of device lifetime. Then, charge transfer mechanisms through the polymer are evaluated by the study of the temperature dependence of current-voltage-luminance curves as well as of the temperature dependence of the electroluminescence spectra. Holes are found to be the majority charge carriers in PPVs. As a consequence, in the last part, device optimisation is made possible by addition of a specific vacuum evaporated molecular layer between the emissive polymer and the cathode to improve the charge balance.BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF