CADISCOM CAractérisation Dynamique des pièges

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1 CADISCOM CAractérisation Dynamique des pièges aux Interfaces diélectriques/semi- Conducteurs Organiques. Application aux polymères obtenus par Métathèse. Kamal LMIMOUNI IEMN UMR CNRS 8520 Journées Nationales Nanosciences et Nanotechnologies 2012

2 Contexte: L électronique Organique! Transistors Organiques OFETs Cellules Photovoltaiques Organiques OPVs Diodes Electroluminescentes Organiques OLEDs Coût, Diversité des SCO, Modulation des Propriétés élec, Flexibilité, Consommation,.

3 Produits commerciaux 50% des produits LG 55EM full HD ( 10000$) 2012 Samsung Galaxy Note 5.3, 1280x800, super AMOLED technology Sony XEL 1 11 OLED Digital TV ( 4000 ) 2009 Sony Walkman X series, 3 inch OLED touchscreen (432x340 WQVGA) LG 15EL OLED Digital TV 1366x768 ( 2000 ) 2010

4 Les cellules solaires organiques Cellules organiques Technologie Silicium Film mince Cellules en Silicium Cristallin 4% 5% 10% 18% 19% 20% 22% 23% 23% Source: NERL Multi-jonctions 34% 40% 43% Source: GDR Electronique organique 2012

5 Les Transistors à Effet de champ Source: IBM, JRD (2001) Mobilité, Tension seuil, Fiabilité.

6 Le Projet CADISCOM Pluridisciplinaire: Synthèse chimique, Modélisation, Technologie, Caractérisation

7 Pourquoi la métathèse? Pourquoi la métathèse? Couplage Pd-Cu (Sonogashira) Métathèse des alcynes Bouts de chaîne aléatoires Défauts d enchainement dans la structure des polymères Bouts de chaînes parfaitement définis Pas de défauts de structure Polymérisation: DP n > 50 > 150 Les catalyseurs Polymérisation limitée: DP n < (Mortreux, Schrock, Mo(CO) 6 /PhOH Fürstner)

8 Famille1: dérivés d anthracène Les matériaux SCO synthétisés Famille2: dérivés diazaanthracène Famille3: dérivés benzodithiophène 1- Aryl : Anthracène - Efficacité proche du pentacène - Grande stabilité R1,R2 = Me, TIPS, TMS 2- Alkynes - Propyne : sites réactifs pour la métathèse + dimères et trimères 3- Groupes terminaux Silyl: TMS : rare exemple metathèse et end-capping group TIPS : end-capping group

9 conversion [%] Chimie organométallique de surface: un outil efficace pour la génération d espèces actives en catalyse Nouveau système catalytique Inactif Actif Synthèse simple, peu coûteuse Nouveaux substrats de catalyse Rendement: 31% without B(C 6 F 5 ) 3 with 1eq of B(C 6 F 5 ) 3 to Mo with 2eq of B(C 6 F 5 ) 3 to Mo with 3eq of B(C 6 F 5 ) 3 to Mo 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 time [h] Activité améliorée en présence de B(C 6 F 5 ) 3 Préparés au LASYRO + Rendement: 72% N. Merle et coll, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, N. Bejenaru et coll, ICOE 2011, Paris 2010

10 Transport de charge : Modélisation Saut entre une molécule chargée et une neutre d (M 1 + M 2 ) (M 1 M 2+ ) M 1 M 2 - G 0 Reactants Products k hop 2 1 tj 2 4 k B T exp - 0 G 2 4kT B Simulations Monte Carlo Déplacement des charges à partir du calcul de la vitesse de «hopping» Accès à la mobilité des charges μ J: Intégrale de transfert packing : Eg de réorganisation molécule G 0 : différence en eg désordre, champ électrique = d t F

11 Molécule étudiée A direction B - C plane C A d J HOMO 32 mev 68 mev A B d Les chemins le long de B et C J HOMO Around 0.1 mev Around 0.1 mev

12 Axes: Hole Mobility (cm²/vs) µ Anisotropie de la mobilité C B A B C A - Mobilité plus élevée le long de l axe A - Mobilité plus faible dans le plan B-C D. Cornil et coll, to be published

13 Les composants OFETS.. Lg=1 à 50µm, W/L= 1000 et N. Bejenaru et coll, MRS- San francisco USA, 9-13 avril 2012 S. Abaci et coll; Thin Solid Films (2011)

14 Mise en forme du monocristal Electrodes Solution utilisée : solution de 5 mg/ml de concentration à base de chloroforme et d acide acétique (2/3:1/3 (v:v)) Avantages par rapport à une solution à base de chloroforme : vitesse d évaporation moins élevée => durée d organisation moléculaire plus élevée viscosité plus élevée => film plus épais => densité de cristaux élevée E. Parbaile et coll, To be published

15 Spectroscopie d admittance. MOS organique Admittance complexe 1/G p C p Y=G p +j.c p.ω SCO : diélectrique polarisable Relaxation diélectrique mieux adaptée au cas organique C p [F.cm -2 ] Exemple de données obtenues (70 nm SiO 2 et 40 nm pentacène) : 4.8e-8 4.6e-8 4.4e-8 4.2e-8 4.0e-8 3.8e-8 3.6e-8 3.4e-8 Accumulation (V dc = 20 V) 20 V 10 V 5 V 0 V -2 V -3 V -4 V -5 V -6 V -10 V -20 V Référence G p /[S.s.cm -2 ] 1.0e-8 1.0e-9 1.0e-10 Déplétion (V dc = -20V) Accumulation (V dc = 20V) Déplétion (V dc = -20V) 3.2e-8 Déplétion (V dc = -20V) 3.0e-8 1e-1 1e+0 1e+1 1e+2 1e+3 1e+4 1e+5 Frequence [Hz] Accumulation (V dc = 20V) 1e-1 1e+0 1e+1 1e+2 1e+3 1e+4 1e+5 Frequence [Hz] 15 R. Ledru et coll, Organic electronics (13) 2012,

16 R. Ledru et coll, Organic electronics (13) 2012, Résultats des mesures dynamiques 1e-8 Déplétion (V dc = -20 V) Somme des contributions 1e-8 Basses fréquences Fréquences intermédiaires Hautes fréquences G p / [S.s.cm -2 ] 1e-9 1e-10 G p [S.s.cm -2 ] 1e-9 1e-10 Référence V dc = 20V V dc = 5V V dc = -3V V dc = -20V 1e-11 1e-1 1e+0 1e+1 1e+2 1e+3 1e+4 1e+5 Frequence [Hz] Basses fréquences : Diffusion de charges lentes. Hautes fréquences : Contribution de l oxyde (Debye) 1e-11 1e-1 1e+0 1e+1 1e+2 1e+3 1e+4 1e+5 Frequence [Hz] Y( ) 16 Fréquences intermédiaires : Contribution du semi-conducteur organique de type ColeCole et /ou Debye suivant l interaction qu il entretient avec son environnement (milieu, champ électrique, impuretés ). A ion j / 2 1 A organique_ CC organique_ Debye j 1 j organique A organique_ Debye C C ox ox F F SiO SiO 2 2 C C _ pentacene _ pentacene

17 + Synthèse de nouveaux semiconducteurs organiques (monomères et oligomères) + Réalisation de catalyseurs pour la métathèse + Mise en évidence de l effet de champs avec les dérivés d anthracène + Etude des pièges aux interfaces diélectrique/sco et Identification des contributions intrinsèques : dipôles permanents liés à la présence de molécules d eau, extraction de l électrostatique de la jonction MOS organique. Bilan et Perspectives - Difficulté des synthèses chimiques; quantités de produits limitées. - Difficultés de la mise en place des caractérisations dynamiques / manipulation des cristaux. Production scientifique: 5 revues 12 conférences internationales et 5 conférences nationales 2 thèses PhD:1financée et 1co-financée; recrutement de 6 post-docs (entre 6 et 15 mois) Mise en place de la plateforme de caractérisation dynamique des structures MOS organiques et la plateforme de réalisation technologique des dispositifs communauté du GDR EO

18 Poursuite du projet. Nouvelle approche: Synthèse et dépôt simultanés Réaction avec hept-1-yne et propyne Croissance de SCO confirmée (AFM et MEB) Zones de de croissances croissance Polymérisation H C 5 H 11 n CH 3 H n Propriétés électroniques des couches formées?

19 Merci de votre attention Kamal LMIMOUNI

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