Ce chapitre est totalement dédié aux transistors organiques de type N réalisés à base de 3 différentes molécules. Il est scindé en 3 parties, chaque partie est consacrée aux résultats d’OTFTs réalisés à base de chacune de ces molécules.
L’étude de chaque molécule suit, plus ou moins, le même cheminement scientifique, où nous commençons par donner les performances des transistors élaborés et la fiabilité du procédé de fabrication. L’effet des conditions de dépôt de la couche active sur les performances des OTFTs est aussi traité, ainsi que des mesures à différentes températures permettant de fixer le type de phénomène de transport dominant dans ces matériaux.
L’évaluation de la stabilité dans le temps et électrique sous l’application d’une tension en continue est donnée pour chaque couche active.
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Introduction
Pour la fabrication de transistors de type N performants et stables, trois nouvelles molécules synthétisées par C.Poriel et J.Rault-Berthelot de l’ISCR (équipe matière condensée et systèmes électronégatifs). La stratégie d’élaboration de ces molécules se basait sur trois points essentiels.
Le premier point consiste à mettre au point des molécules de type oligomère (petite molécule) et non polymère, permettant ainsi de les déposer par sublimation.
Le second point repose sur la géométrie des molécules. En effet, une géométrie plane de la molécule conduit à une délocalisation des orbitales π. La planéité de la molécule permet, dans certains cas, de réduire les distances intermoléculaires à l'état solide et ainsi de favoriser la conduction des porteurs [8]. Pour cela, les 3 molécules utilisées sont de la famille des oligophenylène composés de cycles phényles pontés (3 à 5). Ces ponts rigidifiés assurent une géométrie plane au système π-conjugué des différentes molécules. Cette géométrie devrait amener à de bonnes propriétés conductrices des couches [8].
Le dernier point concerne la réactivité de la molécule avec le milieu environnent. Un des moyens de réduire ces possibles réactions, et ainsi assurer la stabilité de la molécule, est d’abaisser le niveau LUMO de cette dernière. L’abaissement de ce niveau permet aussi de favoriser l’injection au niveau du métal source et drain en réduisant la barrière énergétique entre les niveaux conducteurs des deux matériaux. L’abaissement du niveau LUMO est assuré par l’introduction de groupements electro-attracteurs au corps central des molécules.
Les trois molécules ainsi synthétisées sont : le LPP(CN2)2, IF(CN2)2 syn meta, IF(CN2)2 anti para. La première molécule est de type PentaPhénylène (5 cycles phenils) et les deux dernières sont de type indenofluorène (3 cycles pontés) selon deux différentes configurations (syn meta et anti para). Pour l’abaissement des LUMOs, les mêmes groupements électroattracteurs, de type dicyanovinylène (CN), ont été introduits aux 3 molécules. Dans ce chapitre, nous présentons les résultats relatifs aux transistors organiques de type N réalisés à base de ces trois molécules. Les différents transistors sont d’abord caractérisés afin d’évaluer leur performances. En fonction de ces performances, une étude de l’effet des
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paramètres de dépôt de la couche active sur ces performances est menée afin de permettre une éventuelle amélioration. Finalement, une étude de stabilité électrique est menée pour chaque type d’OTFT permettant d’évaluer leur comportement sous l’application en continue d’une tension électrique.
Présentation des molécules utilisées comme couche active
Trois différentes molécules ont été principalement utilisées comme couche active pour les transistors organiques. Ces molécules sont synthétisées et chimiquement caractérisées par l’équipe MaCSE de ISCR Rennes.
La première molécule utilisée est le Dicyano Ladder Pentaphenylène LPP(CN2)2. Cette molécule possède 5 cycles phényles connectés par 4 ponts rigides. Des chaines alkyles de type R =n-C8H17 ont été ramifiés sur la tête des deux ponts externes afin d’améliorer la solubilité de cette molécule, pour un éventuel dépôt en solution. Sur les deux ponts internes, des groupements électro attracteurs de type dicyanovinylène sont ajoutés afin de réduire son niveau LUMO. Les mesures de voltamétrie cyclique ont permis d’évaluer son niveau HOMO à -5.79ev et sa LUMO à -4.01ev. La synthèse ainsi que les caractérisations chimiques de cette molécule sont détaillées dans un travail de thèse doctorale [21].
La seconde molécule utilisée est le Dicyano indénofluorène en configuration meta IF(CN2)2 meta. Cette molécule se présente sous forme de 3 cycles phényles connectés par 2 ponts rigidifiés. Sur ces deux ponts, des groupements dicyanovinylènes ont été ajoutés, toujours dans le but d’abaisser le niveau LUMO. La configuration meta est caractérisée, entre autres, par la présence des deux groupements dicyanovinylène sur un même côté du corps de la molécule. Les mesures de voltamétrie cyclique ont permis d’évaluer la HOMO de la molécule à -5.91ev et sa LUMO à -3.81ev. La synthèse et la caractérisation chimique de cette molécule ont fait l’objet d’un travail de stage [22].
La troisième et dernière molécule utilisée et le Dicyano indénofluorène en configuration para IF(CN2)2 para. Cette molécule possède le même corps indénoflurène que la molécule IF(CN2)2 meta. La différence entre les deux molécules réside dans l’emplacement des groupements dicyanovinylène, qui dans cette configuration para sont disposés de part et d’autre du corps principal. De plus, cette molécule contient des chaines alkyles de type
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R=n-C5H11, ramifiés sur les côtés latéraux du corps principal. Les mesures de voltamétrie cyclique de cette molécule ont révélé un niveau LUMO assez profond à -4.11ev. L’utilisation de petites molécules qui se présentent sous forme de poudre, permet de les déposer sous vide par évaporation thermique. Le contrôle des conditions de dépôt, devrait permettre d’obtenir des films localement organisés.
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