L électronique organique : un brillant avenir pour les matières plastiques

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1 L électronique organique : un brillant avenir pour les matières plastiques Gilles Horowitz ITODYS, Université Paris-Diderot horowitz@univ-paris-diderot.fr

2 L électronique La révolution technologique du 20 e siècle Traitement non linéaire de signaux électriques porteurs d information ou d énergie 2

3 Les matières plastiques Le matériau du 20 e siècle 3

4 Un peu d histoire... Les âges de l électronique 4

5 L'âge du tube à vide Le tube cathodique (Karl Braun) La diode à vide (Ambrose Fleming) La lampe triode (Lee de Forrest) L âge du silicium Transistor à pointe (Bardeen, Brattain, Shockley, Bell Labs) Le MOSFET (Atalla and Kahng, IBM) L âge de l organique Polymères conducteurs (Heeger, McDiarmid, Shirakawa) OTFT (Mitsubishi) OLED (Ching W Tang, Kodak) 5

6 Le 21 e siècle Fusion de l électronique avec les matières plastiques L ELECTRONIQUE ORGANIQUE 6

7 État de l art Dispositifs électroniques organiques Cellules photovoltaïques Transistors en couche mince Diodes électroluminescentes Capteurs 7

8 Polymer-Based Light-Emitting Diodes Dot matrix displays Television display Cambridge Display Technology (CDT) 8

9 9

10 Prototype for Mobile Phones UDC / Samsung 10

11 Prototype d écran 101cm (Samsung, 2005) 11

12 Polymer Light-Emitting Diodes UNIAX Passive matrix cd/m Pixels - Less than 7 V

13 L écran déroulable (Polymer Vision) 13

14 OLED Eclairage 2005 General Electric Équivalent à une ampoule 80W 15 lm/w; 1000 Cd/m OSRAM 7 lm/w; 250 Cd/m 2 "#$%&'()*+$",,# -./)'&)+*$0*$12'3451*$&''6*7! 86+)*7$9:;<=! 14

15 Semi-conducteurs organiques? 15

16 Semi-conducteur «Matériau solide dont la conductivité est intermédiaire entre celle des métaux et celles des isolants» Les théories classiques développées au XIXe siècle permettaient d expliquer assez bien la conductivité des métaux Elles étaient contredites par le comportement «anormal» de certains matériaux, qui n a pu être expliqué que beaucoup plus tard (grâce à la mécanique quantique) Le terme «semi-conducteur» a été introduit en 1911 (en allemand : «halbleiter») pour désigner ces matériaux «anormaux» 16

17 Les comportements anormaux La résistivité diminue avec la température (les métaux ont un comportement inverse) Photoconductivité (la résistivité diminue sous l effet de la lumière) Effet redresseur (ou effet diode) : dans une jonction métal-semi-conducteur, le courant passe dans un sens et pas dans l autre 17

18 Théorie des bandes La théorie des bandes constitue le fondement de la physique des solides Elle stipule que lorsque des atomes ou des molécules s assemblent pour former un solide, les niveaux énergétiques discrets s élargissent et forment des bandes 18

19 Hartree ψ(1, 2,..., i,..., N) = i ψ i (i) 19

20 bande de conduction bande de conduction Niveau de Fermi bande de valence Métal Isolant Semi-conducteur intrinsèque 20

21 Elément Gap (ev) Gap (K) Ge 0, Semiconducteurs Si 1, GaAs 1, Isolants SiO2 9 Si3N4 5 21

22 Semi-conducteur extrinsèque 1. type n Si P+ 22

23 Semi-conducteur extrinsèque 2. type p Si B - 23

24 Bande de conduction Niveau de Fermi Bande de valence Isolant Semi-conducteur intrinsèque Bande de conduction Niveau d impureté Bande de valence Semi-conducteur extrinsèque de type n Bande de conduction Niveau d impureté Bande de valence Semi-conducteur extrinsèque de type p 24

25 Notion moderne du semi-conducteur En pratique, seuls les semi-conducteurs extrinsèques sont utilisés en micro-électronique Définition «moderne» : matériau solide dont on peut moduler la conductivité 25

26 Matériaux organiques Organique carbone Propriété fondamentale du carbone : trois types d hybridation sp3 (diamant, polyethylènes) sp2 (éthylène, benzène) sp1 (acétylène) 26

27 Carbone sp2 : éthylène C2H4 27

28 Benzene C6H6 28

29 29

30 Poly-para-phenylene-vinylene 30

31 Matériaux organiques conjugués 31

32 Paramètres intrinsèques Si Pentacene Gap (ev) ,8 2,8 Constante diélectrique 11,9 3 Densité mol (cm -3 ) Densité intrinsèque (cm -3 ) Mobilité (cm 2 /Vs) Conductivité (S/cm)

33 Polarisation dans les solides Une charge placée dans un solide tend à polariser les atomes qui l entourent La charge habillée par son nuage de polarisation est appelée polaron 33

34 Polarisation électronique 34

35 35

36 Dopage Silicium Organique Pureté atomique < Taux de dopage

37 Un semi-conducteur organique Est un isolant Ne peut pas être dopé Est doté d une faible mobilité parce que c est un matériau désordonné (polymère) à cause du phénomène de polarisation 37

38 Diode électroluminescente organique (OLED) 38

39 39

40 Injection : barrière d énergie 40

41 Jonction idéale E bn = W m AE E bp = P I W m 41

42 Mesure par UPS et IPS 2 E (ev) Al, In Ag Mg 3 4 Sn Au PTCDA BCP CuPc 6T α-npdznpc Pentacene Alq 3 CBP PTCBI F 16 -CuPc 8 NTCDA TCNQ F 4 -TCNQ N. Koch et 42al., Appl. Surf. Sci. 2003, 82, 70.

43 Type n, type p Un semi-conducteur organique est dit de type n si on peut y injecter des électrons plus facilement que des trous Il est de type p dans le cas contraire 43

44 44

45 Transport des charges Les mobilités sont faibles Mais les distances à parcourir aussi épaisseur typique : quelques dizaines de nanomètres N est pas une étape limitante 45

46 Recombinaison Pour être optimale, demande une injection équilibrée d électrons et de trous Conduit à la formation d excitons 46

47 Exciton : paire électron-trou (a) exciton de Frenkel fortement lié (b) exciton de Wannier faiblement lié 47

48 Singulet - Triplet Singulet : S = 0 s = 0 Triplet : S = 1 s = 1, 0, +1 48

49 Désexcitation des excitons Le niveau fondamental étant singulet, la désexcitation des triplets est interdite (phosphorescence) Sur 4 excitons, un est singulet et trois sont triplets Le rendement quantique (en fluorescence) est limité à 0.25% Il peut atteindre 100% en phosphorescence 49

50 Organic Light-Emitting Device (OLED) (con t) Fluorescent OLEDs Phosphorescent OLEDs Color Eff. (cd/a) Half-life 2 Color Eff. (cd/a) Half-life 2 Blue 3-5 >2000 Blue 5 <2000 Green >10,000 Green >10,000 Red 4-7 >10,000 Red 8-12 >10, ma/cm 2 = 200 A/m cd/m 2 for an efficiency of 5 cd/a; ( cd/m 2 needed for displays) C. W. Tang, ACS ProsPective, Jan

51 Structure d une OLED Cathode (LiF:Al, Ca) Anode (ITO) HTL EBL EL HBL ETL 51

52 Cellules photovoltaïques 52

53 Séparation des excitons Donneur Accepteur 53

54 Transistor organique Canal conducteur VG Source Semi-conducteur Isolant Grille Substrat Drain VD 54

55 -2.5 x 10-6 Drain current (A) -2 x x x x 10-7 régime linéaire V G =0 V V G =-2 V V G =-4 V V G =-6 V régime de saturation Drain voltage (V) 55

56 Courant de drain Tension de grille 56

57 Utilisations du transistor Amplification Commutation (circuits logiques) 57

58 Mobilité Rapport de la vitesse moyenne des charges au champ électrique <v> = µe Plus la mobilité est grande, plus le temps de commutation est faible 58

59 Mobilité (cm 2 /V.s) Si mono-cristallin : ~1000 Si amorphe hydrogéné : Mono-cristal organique (Rubrène): Molécule organique (Pentacène) : ~5 Polymère organique (polythiophènes):

60 L électronique organique ne cherche pas à concurrencer le Silicium 60

61 Amélioration des performances Contrôle des interfaces interface entre le semi-conducteur et l isolant interface entre les semi-conducteur et les électrodes source et drain Rôle primordial de l isolant Tendance actuelle : utilisation d isolants organiques (polymères) 61

62 Applications Grandes surfaces (écrans, papier électronique) Faible coût Emballage intelligent Produits à usage unique (domaine médical) Une nouvelle technique de fabrication : l imprimerie 62

63 Jet d encre Buse Electrodes de charge Electrodes déflectrices Gouttière Support 63

64 Epson

65 L imprimerie par jet d encre est intéressante au niveau de la recherche et développement car c est une technique souple et facile à mettre en œuvre Son utilisation au stade industriel est plus problématique car elle s adapte mal à la production en grande série 65

66 Imprimerie rotative Offset (report) Flexographie Héliogravure 66

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70 Les problèmes à résoudre Résolution Aujourd hui 10 µm, demain 1µm Alignement Formulation des encres conductrices semi-conductrices (éventuellement isolantes) 70

71 Conclusions L électronique organique est entrée dans le domaine industriel OLED (depuis 1999) Cellules photovoltaïques Transistors et circuits intégrés (2008?) Une technique nouvelle de fabrication : l imprimerie Les mécanismes fondamentaux restent mal compris 71