Influence du solvant sur les caractéristiques optoélectroniques des électrodes

Les Ag NWs, après synthèse et lavage, sont dispersés dans un solvant polaire comme expliqué dans la section I.2.1.2. L’isopropanol est le plus communément utilisé et c’est dans ce milieu que se trouvent les Ag NWs de l’encre commerciale acquise pour ces travaux. Lors des premiers essais décrits précédemment, cette dispersion était simplement diluée pour atteindre la concentration adaptée au dépôt par spray à air sans changer de solvant. Or la vitesse d’évaporation du solvant joue un rôle important dans la formation de couches uniformes, notamment lors de l’état transitoire entre deux éjections d’encre. Afin d’étudier l’influence de ce phénomène, deux autres solvants présentant des points d’ébullition supérieur et inférieur à l’isopropanol ont été testés : le méthanol qui possède une chaîne carbonée plus courte que l’isopropanol et qui va donc s’évaporer à une température plus basse (Teb= 65°C) et l'eau (Teb= 100°C).

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Les propriétés de ces trois solvants ainsi que les paramètres utilisés pour leur dépôt par spray sont résumés dans le Tableau II.4. Par ailleurs, il ne sera plus seulement question de l’aspect visuel des films dans cette étude : ce sont maintenant leurs caractéristiques optoélectroniques et surfaciques qui permettront de les départager.

Solvant Méthanol Isopropanol Eau

Structure chimique Point d’ébullition (°C) 65 82 100 Température de la plaque chauffante (°C) ^{65 85 95} Densité 0,791 0,786 1 Nombre d’expulsions réalisées avec 10 mL de solution 180 200 120

Tableau II.4. Propriétés des solvants utilisés lors de l’étude des paramètres chimiques

Les dispersions dans les milieux autres que l’isopropanol ont été réalisées après centrifugation de l’encre commerciale à 3000 rpm pendant une heure. Les films obtenus sont visibles sur la Figure II.8. De toute évidence, et cela est manifeste sur les photographies des films, plus il y aura de passages et plus le film sera opaque mais conducteur (voir Tableau II.5). Comme décrit dans la partie I.1.3.4.b, il existe un seuil de percolation à partir duquel les Ag NWs sont suffisamment en contact pour assurer une conductivité électrique à travers tout le réseau qu’ils forment. Une fois atteint, l’ajout d’autres couches de Ag NWs n’est plus nécessaire car alors la transmittance se dégrade pour une amélioration de conductivité marginale. Le compromis recherché réside donc dans le minimum de passages requis pour créer ce réseau de percolation.

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Figure II.8. Photographies des films obtenus à partir de dispersions de Ag NWs dans différents solvants et avec des nombres de passages croissants : méthanol (N = 20, 40, 60), isopropanol (N = 20, 40, 60, 80) et eau (N = 20, 40, 60)

Le Tableau II.5présente les valeurs de la résistance surfacique R□, de la transmittance à 550 nm et de la figure de mérite σDC / σop (voir partie I.2.2.3) pour les différents solvants, en fonction du nombre de passages. Les valeurs de résistance surfacique indiquent que le seuil de percolation est largement atteint pour tous les films sauf un. Seule la couche d’Ag NWs constituée après 20 passages de la dispersion dans l’isopropanol n’est pas encore dans ce régime, étant donné qu’il n’a pas été possible de mesurer une seule valeur avec la technique des 4 pointes. La transmittance dans le visible présentée en Figure II.9 illustre bien l’augmentation de l’opacité associée au nombre croissant de passages. En comparant les différents solvants on observe que l’isopropanol produit les films les plus transparents à nombre de passages égal. Un phénomène également bien remarquable est la chute de la transmittance entre 20 et 40 passages pour l'eau et le méthanol, qui se produit plutôt entre 40 et 60 passages pour l’isopropanol. Cela semble être une raison du changement de régime dans la percolation du réseau de Ag NWs car la résistance surfacique évolue de la même manière. Quant à l’augmentation de la transmittance entre 40 et 60 passages observée avec le méthanol, elle a été mesurée à plusieurs reprises. Il est possible que l'organisation des nanofils sur le substrat soit plus favorable malgré une plus grande quantité de matière.

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Enfin, les figures de mérite déterminées sur les films déposés avec l'isopropanol sont nettement inférieures à celles mesurées avec l'eau ou le méthanol. En effet ceux-ci sont largement plus conducteurs pour des valeurs de transmission comparables, ce qui fait chuter la figure de mérite de 160 avec l’eau et 240 avec le méthanol à seulement 60 pour l’isopropanol.

Solvant ^{Nombre de}

passages ^{R□ (Ω/□) T(%) à 550 nm Figure de mérite} Méthanol 20 14 ± 3 85 150 40 6 ± 1 66 140 60 4 ± 1 69 240 Isopropanol 20 / 89 / 40 45 ± 16 82 40 60 16 ± 8 70 60 Eau 20 11 ± 2 80 140 40 4 ± 0 60 160 60 3 ± 0 45 130

ITO sur verre (Vision Tek) 10 94 600

Tableau II.5. Propriétés optoélectroniques des films obtenus à partir de dispersions de Ag NWs dans différents solvants et avec des nombres de passages croissants

Figure II.9. Spectres de transmission optique des films obtenus à partir de dispersions de Ag NWs dans différents solvants et avec des nombres de passages croissants

Bien que l’eau soit un solvant largement plus souhaitable que le méthanol, ce dernier la devance en termes de performances pour la réalisation d’électrodes transparentes. Pour des résistances surfaciques relativement proches, le méthanol forme des couches plus transparentes, et par conséquent à figure de mérite plus grande. Enfin les valeurs relatives à l’ITO sont affichées dans le Tableau II.5 à titre indicatif, pour donner une idée plus concrète de ce qui est déjà disponible sur le marché. Ces substrats d’ITO sur verre sont ceux couramment utilisés au laboratoire lors de la fabrication de dispositifs électroniques organiques. On remarque qu’à résistance carrée équivalente, les films d'ITO sont plus transparents, augmentant ainsi le facteur de mérite. Ce dernier est encore deux fois supérieur à celui obtenu avec les Ag NWs avec nos conditions de dépôt.

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