Contribution des faisceaux d ions à l élaboration de dispositifs pour l électronique souple

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1 Comité National Français de Radioélectricité Scientifique Section française de l Union Radio Scientifique Internationale Siège social : Académie des Sciences, Quai de Conti Paris Journées scientifiques du CNFRS " Nanosciences et radioélectricit lectricité" Paris, les 2 et 21 mars 27 Contribution des faisceaux d ions à l élaboration de dispositifs pour l électronique souple Rémi Antony, Bruno Lucas, André Moliton, Bernard Ratier XLIM, UMR 6172, Département MINACOM 123 Avenue Albert Thomas 876 LIMOGES

2 Plan de l exposé -Interaction ion-matière -L utilisation des faisceaux d ions sur les dispositifs organiques -Élaboration d ITO par pulvérisation ionique -sur verre et sur substrats plastiques -application à la réalisation de dispositifs sur substrats souples OLEDs, OTFTs -Densification des cathodes par dépôts assistés par faisceaux d ions - cathodes en argent - cathodes en aluminium: premiers résultats

3 Électronique organique souple La production d énergie dispositifs nomades domotique Composants de base: cellules photovoltaïques Konarka L affichage, les écrans dispositifs ergonomiques automobile, avionique affichage grande surface (Universal Display Corporation) Composants de base: diodes électroluminescentes transistors

4 -de/dx Interaction ion-matière - cible (continuum d électron; répartition discrète d atomes) - énergie des ions cédée à la cible: continûment aux électrons -de/dx électron collisions binaires avec les atomes de/dx de/dx électron de/dx nucléaire -de/dx nucléaire E ions Implantation : 5 kev<e< 3 kev Pulvérisation: E ~ kev Dépôt assisté par faisceau d ions Zone de défauts (ruptures de liaisons) de/dx Profondeur de la cible Atomes déplacés+ densification+ atomes implantés (dopage) pulvérisation Profondeur de la cible Profondeur de la cible Amorphisation densification E n >E surf E surf Amorphisation densification

5 Application à l optoélectronique organique souple - diodes électroluminescentes (OLEDs) - cellules photovoltaïques (OPVs) Dispositif cathode couche active Anode OTC substrate Absorption OPVs Emission OLEDs Technologies Dépôts assistés par faisceaux d ions Implantation ionique Dépôts assistés par faisceaux d ions Pulvérisation par faisceaux d ions Dépôt de l ITO par pulvérisation ionique -faible résistance de contact (2 Ω/), -forte transmission optique (9 %) -compatible avec les substrats souples (procédé basse température) Dépôt assisté par faisceau d ions (Ar + ) de la cathode (Ag ou Al) -densifier pour limiter la diffusion de l oxygène et de l eau -augmentation de la durée de vie des dispositifs

6 ITO obtenu par pulvérisation ionique Paramètres à optimiser: -Energie des ions β Substrat -Densité de courrant Flux O 2 -Type d ions -Flux d oxygène Source d ions α Cible ITO -Température de substrats Propriétés recherchées -Transmittance T 9% (4nm-8nm) -Résistance carrée Rc 2Ω/ -Dépôts à température <15 C -Roughness <2nm Conditions expérimentales dans le cas de substrats de verre -Cible (In 2 O 3 9 to 95% - SnO 2 1 to 5%) -Ar + ions, E = 6keV et j = 1mA/cm² -Vitesse de dépôts : 1nm/mn -Pression : mbar to mbar -Flux d oxygène: 1 cm 3 /mn -Température de substrat: 13 C Pompe turbomoléculaire

7 ITO sur substrat de verre T ra n s m ita n c e % Film Thickness: 3 nm Epaisseur du film : 3nm Film Thickness: 2 nm Epaisseur du film : 2nm Film Thickness: 1 nm Epaisseur du film : 1nm Wavelength (nm) Transmittance ~ 9 % Transmitance 3nm 2nm 1nm Rc (Ohm/square) Effet de l épaisseur d ITO sur la résistance carrée: Rc décroît quand e augmente, à e = 3 nm, Rc = 3 Ω/, T = 9% Rugosité moyenne (mesures par AFM) R 1 nm Thickness: 1nm Roughness:,9nm Thickness: 2nm Roughness: 1,4nm Thickness: 3nm Roughness: 1,5nm

8 Cellules photovoltaïques Cellules solaires avec le couple donneur-accepteur CuPc-C 6 : ITO/1nm PEDOT-PSS/CuPc (3 nm) / C 6 (5 nm) / Al c u r r e n t d e n s it y ( m A / c m ² ) cathode Al CuPc/C 6 PEDOT-PSS ITO Substrat verre anode ITO Merk ITO IBS (1 nm) ITO IBS (2 nm) ITO IBS (3 nm) Meilleurs résultats avec une épaisseur d ITO de 1 nm Possibilité de rupture du report de contact de la cathode pour des épaisseurs supérieures ITO Merk (1 nm) ITO IBS (1 nm) J cc 3,12 ma/cm² 4,5 ma/cm² η e,473 %,694 % -6 bias voltage (Volt)

9 Cellules photovoltaïques 2 c u r r e n t d e n s it y ( m A /c m ² ) bias voltage (Volt) 1 nm 8 nm 6 nm 5 nm 2 nm sans PEDOT IPCE (%) EQEmax C6 EQEmax CuPc 5 1 PEDOT-PSS thickness (nm) PEDOT-PSS ITO PEDOT thickness 1 nm 3 nm 2 nm no PEDOT V co,46 V,5 V,5 V,48 V J cc (ma/cm²) 4,5 6,12 5,85 5,64 η e (%), ,28,9 FF,284,358,37,28 La meilleure rugosité de l ITO permet une diminution de l épaisseur de PEDOT-PSS et une optimisation des épaisseurs de couches dans la cellule, avec augmentation du rendement de conversion en énergie d un facteur 2

10 OLEDs sur substrats souples (PET) Mêmes conditions expérimentales pour l ITO mais: substrats laissé à température ambiante nettoyage ITO: Ethanol+ultrason (W s passe de 4,4 ev à 4,6 ev) PET/ ITO 2 nm/ TPD/ Alq3/ Cathode : L 5 Cd/m² pour une cathode Al L 25 Cd/m² pour une cathode Ca+Al. (seulement 4 cd/m² nécessaire pour un écran) 25 2 cathode Al cathode ca/al Tension(V)

11 Transistors sur substrat souple (PET) 5µm Au(5nm) Pentacene(5nm) PMMA(1µm) ITO(15nm) Au(5nm) PET (5 µm) ID (A) 2.5E-6 2.E-6 1.5E-6 1.E-6 5.E-7.E+ Vgs = V Vgs = -1 V Vgs = -2 V Vgs = -3 V Vgs = -4 V Vgs = -5 V V DS (Volt) OFET: fonctionnement en régime d accumulation pentacene: semiconducteur de type p Polarisation de grille négative Formation du canal à l interface pentacene/pmma

12 Transistors sur substrat souple (PET) (-I ds ) 1/2 (A) 1/2 4.E-4 3.2E-4 2.4E-4 1.6E-4 Verre Plastique V ds =-3V sat WC iµ I ds = V V gs 2L T ( ) 2 8.E-5.E V gs (V) Sur verre µ~2.1-2 cmv -1 s -1 V Th =14V I on /I off =1 5 Caractéristiques à peu près équivalentes sur verre et sur plastique Sur substrat plastique µ~8.1-3 cmv -1 s -1 V Th =15V I on /I off ~1 5

13 Densification des cathodes par IBAD Problème des dispositifs organiques: Dégradation au contact de l oxygène et de l humidité La cathode recouvre le composants il faut la densifier pour encapsuler le composant Dépôt du film par PVD Ions incidents de très basse énergie: E < 1 kev; en général E 1 ev Croissance du film durant l assistance Substrat L énergie transférée des ions aux atomes aide à la diffusion latérale et à la nucléation Effet sur le dépôt -Propriétés électriques : diminution de la rugosité injection/extraction des charges améliorée à l interface. -effet mécanique: compactage du dépôt et adhérance améliorée

14 Ag sans IBAD ; Ima 2D, scan 2 µm, R = 1,6 nm Ag sans IBAD ; Ima 3D, scan 2 µm, R = 1,6 nm images AFM : Sans assistance Domaines poreux avec possibilité de diffusion de l oxygène et de l air Ag avec IBAD ; Ima 2D; scan 2 µm, E = 25 ev, j= 4 µa/cm², R = 1,49 nm Ag avec IBAD ; Ima 3D, scan 2 µm, E = 25 ev, j= 4 µa/cm², R = 1,49 nm Avec assistance Augmentation de la taille des grains Diminution des porosités diffusion de H 2 O/O 2 limitée

15 Simulation à l interface cathode/couche organique pénétration des ions argons dans la couche organique ion\angstrom\ion Al 3 argon ion depth profil Alq depth(angstrum) 1 ev 2 ev 3 ev pénétration des atomes de recul de la couche d aluminium d en croissance Atome\Angstrom\ion Al Al recoil atoms Alq3 1 5 ev 1 ev 15 ev 2 ev 3 ev depth (angstrum) Une couche tampon non assistée est nécessaire pour préserver l interface cathode/couche organique

16 Durée de vie des OLEDs structure de l OLED : Ag assistée tampon Alq3 BCP Alq3 α-npb N O N O Al O N N N 1- PEDOT-PSS 8 nm 2 - α-npb, transporteur de trous 4 nm 3 - Alq3) 6 nm, transporteur d électron et émetteur vert 4 cathode d argent 1 nm Séparée en 2 zones assistées ou non par faisceau d ions Pedot-PSS O O ITO Glass S n Après test électrique: rampe de tension (-3 V) non assistée assistée

17 Test de la durée de vie des OLEDs Test à intensité constante OLED polarisée afin d obtenir une luminance de 1 Cd/m² L intensité est maintenue constante Le vieillissement se traduit par l apparition de «points noirs» (oxydation du calcium diminution de la surface électrode/couche active augmentation de la tension pour avoir une intensité constante claquage de l OLED)

18 Durée de vie des OLEDs (mesures à l air libre) Cathode en argent Meilleurs résultats Ions Ar + 15 ev Durée de vie 72h à l air libre Ag Ca Alq3 TPD ITO Cathode en aluminium moindre coût/ag application envisagée sur OPVs Pb: tensions seuils + importantes (12 V au lieu de 6 V) Meilleurs résultats Ions Ar + 3 ev Durée de vie 35h à l air libre Al Alq3 TPD ITO 1 ITO/TPD(4nm)/ALQ3(6nm)/Ca/Ag Nette amélioration de la durée de vie à l air libre Luminance (cd/m²) Vierge 5 ev 1 ev 15 ev 175 ev : 12: : Temps (Heures) 12: 1 ITO/TPD(2nm)/ALQ3(6nm)/Al Vierge 1 ev 15 ev 2 ev Luminance (cd/m²) :: 4:48: 9:36: 14:24: 19:12: Temps (heures) 3 ev 5 ev 24:: 28:48: 33:36:

19 Conclusions: ITO par pulvérisation ionique transparence, résistance et rugosité contrôlée sur verre: amélioration des cellules solaires (η e passe de.5% à 1.3 %) sur plastiques: OLEDs à 25 Cd/m² OFETs avec des caractéristiques comparables au substrat verre Cathode Ion Beam Assisted Deposition: morphologie: augmentation de la taille des grains, porosité diminuée test électrique: meilleure résistance nette amélioration de la durée de vie des OLEDs à l air libre Merci de votre attention