Propriétés électroniques du contact semi

Propriétés électroniques du contact semi-conducteur organique
dopé/métal : impact sur la stabilité des composants contenant cette
interface
Contexte
Le domaine de l’électronique organique connaît depuis quelques années un essor
considérable grâce notamment à la possibilité de réaliser des dispositifs grande surface et sur
substrats flexibles. Initialement porté par le marché des écrans plats à base de diodes
organiques (OLED), le domaine de l’électronique organique s’est ouvert à d’autres
applications telles que les cellules solaires, les photodétecteurs ou les capteurs (capteurs de
température, capteurspiezorésistifs…). Aujourd’hui, un des défis majeurs en électronique
organique est d’assurer la fiabilité des composants dans le temps. Les contacts sont
généralement métalliques et le talon d’Achille de ces technologies correspond aux contacts
métal/matériau organique. En effet, pour adapter les niveaux énergétiques des métaux utilisés
à ceux des polymères, des couches d’interfaces généralement nommées couches d’injection
ou couches de transport sont utilisées. Il s’agit selon les contacts de matériaux inorganiques
tels que le ZnO et le TiO2-x ou de matériaux organiques tels que le poly(3,4ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) communément appelé PEDOT:PSS. Ces
matériaux sont eux-mêmes instables par nature : par exemple les propriétés électriques du
ZnO sont nettement impactées par une illumination (modification du niveau de Fermi et de la
conductivité) qui rend les propriétés des dispositifs correspondant très dépendant de leur
histoire (stockage dans le noir, fonctionnement sous lumière du jour..). Le PEDOT :PSS
contribue largement à l’instabilité des dispositifs à cause de son caractère hygroscopique (il se
charge en eau) et acide (problème d’attaque de certains matériaux comme l’ITO au cours du
temps). Différents travaux de recherche sont en cours pour trouver des alternatives à ces
couches intermédiaires. Une voie prometteuse dans ce cadre consiste à doper le semiconducteur organique en surface. Selon les premiers travaux de recherche réalisés ce dopage
pourrait permettre de s’affranchir de la nécessité d’ajouter une couche intermédiaire pour
adapter le travail de sortie ce qui permettrait de simplifier nettement les empilements.
La motivation générale de cette thèse consiste plus précisément à s’affranchir du
PEDOT:PSS dans les photodiodes organiques ou les cellules solaires. Pour ce faire, la couche
de PEDOT qui assure l’injection et le transport des trous sera remplacée par un dopage p de la
surface de la couche active pour adapter le niveau de sa HOMO au travail de sortie du métal
constituant l’électrode. Certains dopants tels que le 2,3,5,6-Tetrafluoro-7,7,8,8tetracyanoquinodimethane (F4TCNQ) sont connus dans la littérature et pourront être utilisés.
Objectifs
Dans un premier temps, cette thèse vise à déterminer la structure électronique des contacts
métal-organique dans le cadre du dopage de la couche active et notamment l’impact de
dopage chimique (n ou p) de la couche active sur ces propriétés électroniques du contact. Pour
ce faire, les techniques de spectroscopie telles que l’UPS (Ultra-Violet
PhotoemissionSpectroscopy), l’XPS (X-ray PhotoemissionSpectroscopy) et l’IPES (Inverse
PhotoemissionSpectroscopy) pourront être utilisées. Cette partie de l’étude sera réalisée
notamment dans le cadre d’un partenariat avec l’équipe d’Antoine Kahn à Princeton qui est
spécialisée dans ce domaine.
Dans la continuité du projet, les contacts investigués (dopage+métal) seront testés sur des
composants organiques (photodiodes ou autres motifs de tests tels que des motifs TLM, des
photorésistances ou des transistors) au LITEN. L’objectif est de confirmer la faisabilité de tels
contacts sur des composants simples et de dresser un premier état des lieux de la fiabilité de
ces contacts comparativement aux dispositifs intégrant le PEDOT:PSS comme couche
d’injection. Les composants réalisés seront caractérisés avec les techniques utilisées en
standard au laboratoire (courbes I-V, réponse spectrale, spectroscopie d’impédance).
Moyens mis à disposition:
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Les couches minces et les photodiodes seront fournies au candidat par les équipes de
technologues du laboratoire LCOI au LITEN.
Les techniques de spectroscopie (XPS, UPS, IPES) seront largement utilisées en
étroite collaboration avec le laboratoire d’Antoine Kahn à Princeton.
Caractérisation matériau : DRX, MEB, MET, spectroscopie UV-vis, ellipsométrie,
Caractérisations électriques : I(V), C(V), réponse spectrale
La thèse sera dirigée par Dominique Vuillaume de l’Institut d’Electronique, de
Microelectronique et de Nanotechnologie (IEMN) de Lille. Elle sera co-encadrée par Antoine
Kahn, professeur au département « Electrical engineering » à Princeton et spécialiste dans le
domaine des propriétés électroniques, électriques et structurales des matériaux couche minces
utilisés en électronique. Il a beaucoup travaillé ces dernières années sur les matériaux
organiques. Antoine Kahn est aujourd’hui consultant pour le CEA dans le cadre des travaux
sur les phtoodétecteurs organique. Nous souhaitons élargir ces échanges à une réelle
collaboration entre les 2 équipes. Un séjour long de l’étudiant est d’ailleurs prévu à Princeton.
Le ou la candidat(e) sera accueilli(e) au LITEN dans le laboratoire des Composants Optiques
Imprimés, sous la responsabilité d’Amélie Revaux pour la réalisation des dispositifs et leur
caractérisation fine notamment dans le cadre de l’étude de leur stabilité.
Profil du candidat
Titulaire d’un Master ou d’un diplôme d’ingénieur, le candidat doit avoir une formation en
physique et être attiré à la fois par les méthodes de caractérisation physique des matériaux,et
par le lien avec l’application (réalisation de composants simples et de leur caractérisation). Il
doit avoir suivi une formation en sciences des matériaux et/ou électronique. Le candidat sera à
l’aise avec l’anglais et motivé par les échanges avec l’université de Princeton où il passera
une partie de sa thèse.
Contact CEA : Amélie REVAUX
tel : 04 38 78 45 93 [email protected]
Contact IEMN : Dominique Vuillaume
tel : 03 20 19 78 66 [email protected]