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Chapitre III. La spectroscopie d’électro absorption

3. La spectroscopie d’électro-absorption

3.5. Mesures préliminaires: validation du dispositif expérimental Afin de valider le dispositif expérimental décrit ci‐dessus, nous avons effectué des essais 

3.5.1. Méthode de fabrication des composants

La  fabrication  des  composants  (OLEDs  ou  OPVs)  passe  par  différentes  étapes,  la  première  étant  la  préparation  de  l’ITO.  Les  substrats  verre/ITO  sont  achetés  chez  VisionTek  Systems  Ltd ; une couche d’ITO de 120 nm d’épaisseur recouvre les substrats de verre de dimension  (24*36  mm²).  Ils  sont  d’abord  nettoyés  par  un  détergent  dégraissant  à  60°C  pendant  30  minutes  dans  un  bain  à  ultra‐sons  puis  un  processus  de  photogravure  est  employé  pour  attaquer une partie de l’ITO : deux bandes d’ITO de 5,5 mm de large sont ainsi obtenues. Les  substrats avant le dépôt des couches organiques (Figure 22) sont séchés sous un flux d’azote.  Le système d’évaporation (voir figure 23) est situé dans une boite à gants (Jacomex) remplie  d’azote avec des taux d’humidité (< 2 ppm) et d’oxygène (< 1 ppm) résiduels contrôlés par un  dispositif de purification.    

Figure 23 Schéma de principe du dispositif d'évaporation des matériaux organiques et métalliques

Les matériaux organiques sous forme de poudre sont placés dans des coupelles en silice, elles‐ mêmes positionnées sur des plaques en tantale. Le dépôt des métaux constituant la cathode  s’effectue  à  partir  de  creusets  en  tungstène.  La  configuration  du  bâti  permet  de  déposer  au 

maximum  deux  matériaux  en  même  temps.  Un  système  composé  d’une  pompe  primaire  et  d’une  pompe  turbo‐moléculaire  (de  type  Balzer)  permet  d’atteindre  un  vide  secondaire  de   torr à l’intérieur de la cloche. L’épaisseur et la vitesse de dépôt sont contrôlées en temps  réel par un mesureur d’épaisseur à quartz vibrant (Leybold Inficon XTM/2). L’uniformité des  couches  déposées  sur  la  surface  des  substrats  dépend  fortement  de  la  vitesse  à  laquelle  les  matériaux sont évaporés. Les vitesses de dépôt sont maintenues entre 0,1 et 0,2 nm/s pour les  matériaux organiques et entre 0,5 et 1 nm/s pour les métaux.  Les mesures d'électro‐absorption sont effectuées à l'air, immédiatement après la fabrication  des échantillons qui comprennent huit composants identiques. 

3.5.2. Résultat expérimental

Le diagramme énergétique simplifié d'une structure ITO/Alq3/Al est  présenté dans la figure  24. La distance des niveaux HOMO et LUMO de l’Alq3 par rapport au niveau du vide, ainsi que  les travaux de sortie de l’ITO et de l’aluminium, sont indiqués. Les valeurs sont issues de la  littérature.     

Figure 24 Diagramme d’énergie simplifié de la structure étudiée (valeurs en référence au niveau du vide).

Dans un premier temps, nous allons comparer (figure 25) le spectre d’électro‐absorption et le  spectre d’absorption de l’Alq3. 

   

 

Figure 25 Spectres d’absorption (ligne continue) et d’électro-absorption (avec points) d’une couche de Alq3

Le spectre d’absorption de l’Alq3 présente une amplitude quasi‐constante au‐delà de 500 nm. 

Dans cette région, nous voyons que le spectre d’électro‐absorption est nul. Ce résultat est en  accord avec les modèles physiques, selon lesquels le signal d'EA est  une combinaison linéaire  de la première et  de la seconde dérivée du spectre d’absorption [JAL07]. 

D’après la relation 3.31, le signal EA à   varie linéairement en fonction de Fdc et Fac (et donc 

de 

Vdc et  ) lorsque il n’y a pas de charges dans le milieu organique ; cette variation devrait  perdre  sa  linéarité  dès  que  l’injection  de  charges  est  significative,  c'est‐à‐dire  lorsque  la  tension appliquée au composant dépasse la valeur de . Pour cette raison, les mesures  d’EA ont été faites dans la plupart des cas sous des polarisations négatives, jusqu'à de faibles  valeurs positives de  .  

 

Figure 26 Spectre EA(1ω) de la structure ITO/Alq3(100nm)/Al

Sur la figure 26, les spectres EA(1ω) de la structure ITO/Alq3/Al pour différentes tensions   

allant  de  ‐5V  à  1  V  ont  été  rapportés.  Cette  figure  montre  clairement  la  dépendance  de  ces  spectres  en  fonction  de  la  tension  continue  appliquée .  Cette  dépendance  est  mieux  illustrée  dans  la  figure  27,  où  l'on  reporte  l'amplitude  des  pics  des  spectres  EA  en  fonction  de . L’amplitude de ces pics varie linéairement avec , et s’annule à la tension de 1V pour  le pic de haute énergie, le choix de ce pic serra justifié ultérieurement. Ceci a été prédit par la  relation (3.31). 

La  variation  du  spectre  EA  à    en  fonction  de    et  le  spectre  d'absorption  de  Alq3 sont 

présentés dans la figure 28. La figure 29 représente la variation d'amplitude en fonction de Vac 

des trois principaux pics du spectre d'électro‐absorption. 

La figure 28 montre que l’amplitude des ces spectres EA varie avec la valeur de Vac . Bien que 

la tension Vdc soit nulle, nous pouvons observer un signal d’électro‐absorption. Ceci montre la 

présence d’un champ électrique interne, dû à l’échange de charges entre les électrodes et le  matériau  organique  lors  de  l’alignement  des  niveaux  de  Fermi  de  l’ITO,  de  l’Alq3 et  de 

l'aluminium. La figure 29 montre que l'amplitude des pics EA varie linéairement avec Vac. 

La relation (3.30) montre que le signal EA à (2ω) est indépendant de la tension Vdc, par contre 

il dépend quadratiquement de Vac. Les mesures expérimentales présentées dans les figures 30 

et 31 nous permettent de vérifier ces lois théoriques. 

 La figure 30 montre deux spectres EA (2ω) mesurés à Vdc= ‐4V et Vdc= 1V ; on peut constater 

qu’ils  sont  quasiment  identiques.  Dans  la  figure  31,  l’amplitude  du  signal  EA  (2ω)  a  été 

mesurée pour le pic à λ=366nm.   

Figure 28 Spectres EA (1ω) à différentes tensions alternatives appliquées Vac pour Vdc=0V.

Figure 30 Signal EA (2ω) à -4Vdc et 1 Vdc

Figure 32 Variation de l’amplitude du signal EA (2ω) à λ=366nm en fonction de Vac

La variation de l’amplitude du signal EA ( ) en fonction de Vac a été mesurée à la longueur 

d'onde de 366nm à une tension Vdc nulle pour Vac allant de 1 à 3 Volts efficaces. Cette variation 

dépend quadratiquement de la tension Vac appliquée (Figure 32).