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).