Dispositifs optoélectroniques à base de semi-conducteurs organiques en couches minces

Les petites molécules de type p à bandes interdites étroites sont de plus en plus perçues comme des remplaçantes possibles aux polymères semi-conducteurs actuellement utilisés conjointement avec des dérivés de fullerènes de type n, dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV). Par contre, ces petites molécules tendent à cristalliser facilement lors de leur application en couches minces et forment difficilement des films homogènes appropriés. Des dispositifs OPV de type hétérojonction de masse ont été réalisés en ajoutant différentes espèces de polymères semi-conducteurs ou isolants, agissant comme matrices permettant de rectifier les inhomogénéités des films actifs et d’augmenter les performances des cellules photovoltaïques. Des polymères aux masses molaires spécifiques ont été synthétisés par réaction de Wittig en contrôlant précisément les ratios molaires des monomères et de la base utilisée. L’effet de la variation des masses molaires en fonction des morphologies de films minces obtenus et des performances des diodes organiques électroluminescentes reliées, a également été étudié. La microscopie électronique en transmission (MET) ou à balayage (MEB) a été employée en complément de la microscopie à force atomique (AFM) pour suivre l’évolution de la morphologie des films organiques minces. Une nouvelle méthode rapide de préparation des films pour l’imagerie MET sur substrats de silicium est également présentée et comparée à d’autres méthodes d’extraction. Motivé par le prix élevé et la rareté des métaux utilisés dans les substrats d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), le développement d’une nouvelle méthode de recyclage eco-responsable des substrats utilisés dans ces études est également présenté.

Dispositifs optoélectroniques à base de semi-conducteurs organiques en couches minces

Les petites molécules de type p à bandes interdites étroites sont de plus en plus perçues comme des remplaçantes possibles aux polymères semi-conducteurs actuellement utilisés conjointement avec des dérivés de fullerènes de type n, dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV). Par contre, ces petites molécules tendent à cristalliser facilement lors de leur application en couches minces et forment difficilement des films homogènes appropriés. Des dispositifs OPV de type hétérojonction de masse ont été réalisés en ajoutant différentes espèces de polymères semi-conducteurs ou isolants, agissant comme matrices permettant de rectifier les inhomogénéités des films actifs et d’augmenter les performances des cellules photovoltaïques. Des polymères aux masses molaires spécifiques ont été synthétisés par réaction de Wittig en contrôlant précisément les ratios molaires des monomères et de la base utilisée. L’effet de la variation des masses molaires en fonction des morphologies de films minces obtenus et des performances des diodes organiques électroluminescentes reliées, a également été étudié. La microscopie électronique en transmission (MET) ou à balayage (MEB) a été employée en complément de la microscopie à force atomique (AFM) pour suivre l’évolution de la morphologie des films organiques minces. Une nouvelle méthode rapide de préparation des films pour l’imagerie MET sur substrats de silicium est également présentée et comparée à d’autres méthodes d’extraction. Motivé par le prix élevé et la rareté des métaux utilisés dans les substrats d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), le développement d’une nouvelle méthode de recyclage eco-responsable des substrats utilisés dans ces études est également présenté.

Synthèse de nouveaux matériaux conducteurs comportant des unités aromatiques conjuguées et analyse de leurs propriétés physico-chimiques

Les matériaux conjugués ont fait l’objet de beaucoup de recherches durant les dernières années. Les nouveaux matériaux présentent des propriétés intéressantes que ce soit au niveau optique, électrique, mécanique ou même les trois en même temps. La synthèse reste la difficulté principale dans la fabrication de dispositifs électroniques. Les méthodes utilisées pour y parvenir sont l’électropolymérisation, le couplage de Suzuki ou de Wittig. Ces techniques comportent encore de nombreuses contraintes et s’avèrent difficilement réalisables à grande échelle. Les thiophènes, les pyrroles et les furanes ont démontré une bonne conductibilité et une bande de conduction basse due à une conjugaison accrue. L’objectif ici est de synthétiser des oligomères principalement composés de thiophènes dans le but d’en caractériser les propriétés spectroscopiques, électrochimiques et de conduction. La synthèse est souvent l’étape délicate de la fabrication de matériaux conjugués. Nous présentons ici une méthode de synthèse simple par modules avec des unités hétérocycliques. Les modules complémentaires sont attachés par condensation entre un aldéhyde et une amine menant à la formation d’un lien robuste, l’azomethine. Les résultats des propriétés photophysiques et électrochimiques de ces matériaux conjugués seront présentés. En ayant recours à différents groupes électrodonneurs et électroaccepteurs, en variant le degré de conjugaison ou en utilisant différents hétérocycles, les propriétés spectroscopiques, électrochimiques et de bande de conduction peuvent être adaptées à volonté, ce qui en fait des matériaux aux propriétés modelables. Ces nouvelles molécules seront analysées pour en déceler les propriétés recherchées dans la fabrication d’OLED. Nous explorerons les domaines de l’oxidation electrochimique réversible et de la polymérisation menant à la fabrication de quelques prototypes simples.

Synthèse et étude de nouvelles molécules potentiellement polymérisables pour la fabrication de matériaux électroluminescents : analogues du 1,3,5 benzènetripyrrole, méthyle 3,5-bipyrrolebenzoate et 6,12-diméthyle-1,5-dipyrrolediazocane

Pyrroles are found in various natural products and in the chemical composition of certain drugs because of their interesting biological properties. Lipitor, Tolmetin and Amtolmetin are examples of drugs with 1,2,5-substituted pyrroles in their composition, in which biological activities have been certified. Moreover, pyrroles are used as precursors of semiconductor polymers, oligomers and dendrimers useful for the synthesis of electroluminescent materials used in devices, such as organic light-emitting diodes, field-effect transistors, solar and organic photovoltaic cells. We are interested in conjugated polymers based on pyrrole due to their optical properties, electrochemical and the conductivity produced by electron delocalization along their carbon chains. The overall objective of the work presented in this thesis is the synthesis of new molecules based on pyrrole for studying their electronic and electrochemical properties as well for the synthesis of conjugated polymers. Initially, we performed the synthesis of 1,3,5-tri-(1-alkyl-5-methylpyrrol-2-yl)benzenes, which may serve as precursors for the synthesis of conjugated dendrimers. Their synthesis was made in three steps starting from trimethyl 1,3,5-benzene-tricarboxylate which was converted to 1,3,5-tri-(pent-4-enoyl)benzene using vinylmagnesium bromide in a Grignard reaction catalyzed by copper cyanide. The olefins of 1,3,5-tri-(pent-4-enoyl)benzene were oxidized to produce 1,3,5-tri-(4-oxopentanoyl)benzene using a modified protocol of the Tsuji-Wacker reaction. Subsequent, Paal-Knorr condensation reactions on 1,3,5-tri-(4-oxopentanoyl)benzene with different amines were used to synthesize 1,3,5-tri-(1-alkyl-5-methylpyrrol-2-yl)benzenes with different N-substituents in yields between 44 and 60%. Incomplete reaction of vinylmagnesium bromide with trimethyl 1,3,5-benzenetricarboxylate gave the methyl-3,5-di(pent-4-enoyl)benzoate, which was converted to methyl-3,5-dipyrrolylbenzoate following the reaction of Tsuji- Wacker and Paal-Knorr with yields between 30 and 60%. The photochemical and electrochemical properties of the 1,3,5-tri-(1-alkyl-5-methylpyrrol-2-yl)benzenes and methyl-3,5-dipyrrolylbenzoates were studied in collaboration with the research group of professor William Skene. The results have shown that both types of pyrrole have potential for the synthesis of conjugated polymers and dendrimers used in the manufacture of electroluminescent materials. Following these encouraging results, we performed the synthesis of 6,12-dimethyl-1,5-dipyrrolediazocane. Methyl N-(Boc)-β-alaninate was converted to its corresponding homoallylic ketone, which was oxidized to N-(Boc)aminoheptan-3,6-dione. The Paal-Knorr condensation between N-(Boc)aminoheptan-3,6-dione and aminoheptan-3,6-dione hydrochloride gave 6,12-dimethyl-1,5-dipyrrolediazocane in 17% yield. In sum, we have synthesized and characterized seven new molecules, six of them having photochemical and electrochemical properties interesting for the synthesis of conjugated polymers and dendrimers. The latter offering potential as precursor for the conception of compounds of therapeutic interest.

Effet de la microstructure sur les propriétés excitoniques des polymères semi-conducteurs semi-cristallins

Les polymères semi-conducteurs semicristallins sont utilisés au sein de diodes électroluminescentes, transistors ou dispositifs photovoltaïques organiques. Ces matériaux peuvent être traités à partir de solutions ou directement à partir de leur état solide et forment des agrégats moléculaires dont la morphologie dicte en grande partie leurs propriétés optoélectroniques. Le poly(3-hexylthiophène) est un des polymères semi-conducteurs les plus étudiés. Lorsque le poids moléculaire (Mw) des chaînes est inférieur à 50 kg/mol, la microstructure est polycristalline et composée de chaînes formant des empilements-π. Lorsque Mw>50 kg/mol, la morphologie est semicristalline et composée de domaines cristallins imbriquées dans une matrice de chaînes amorphes. À partir de techniques de spectroscopie en continu et ultrarapide et appuyé de modèles théoriques, nous démontrons que la cohérence spatiale des excitons dans ce matériau est légèrement anisotrope et dépend de Mw. Ceci nous permet d’approfondir la compréhension de la relation intime entre le couplage inter et intramoléculaire sur la forme spectrale en absorption et photoluminescence. De plus, nous démontrons que les excitations photogénérées directement aux interfaces entre les domaines cristallins et les régions amorphes génèrent des paires de polarons liés qui se recombinent par effet tunnel sur des échelles de temps supérieures à 10ns. Le taux de photoluminescence à long temps de vie provenant de ces paires de charges dépend aussi de Mw et varie entre ∼10% et ∼40% pour les faibles et hauts poids moléculaires respectivement. Nous fournissons un modèle permettant d’expliquer le processus de photogénération des paires de polarons et nous élucidons le rôle de la microstructure sur la dynamique de séparation et recombinaison de ces espèces.

Dynamique de séparation de charges à l'hétérojonction de semi-conducteurs organiques

Une compréhension profonde de la séparation de charge à l’hétérojonction de semi-con- ducteurs organiques est nécessaire pour le développement de diodes photovoltaïques organiques plus efficaces, ce qui serait une grande avancée pour répondre aux besoins mondiaux en énergie durable. L’objectif de cette thèse est de décrire les processus impliqués dans la séparation de charges à hétérojonctions de semi-conducteurs organiques, en prenant en exemple le cas particulier du PCDTBT: PCBM. Nous sondons les excitations d’interface à l’aide de méthodes spectroscopiques résolues en temps couvrant des échelles de temps de 100 femto- secondes à 1 milliseconde. Ces principales méthodes spectroscopiques sont la spectroscopie Raman stimulée femtoseconde, la fluorescence résolue en temps et l’absorption transitoire. Nos résultats montrent clairement que le transfert de charge du PCDTBT au PCBM a lieu avant que l’exciton ne soit relaxé et localisé, un fait expérimental irréconciliable avec la théorie de Marcus semi-classique. La paire de charges qui est créée se divise en deux catégories : les paires de polarons géminales non piégées et les paires profondément piégées. Les premiers se relaxent rapidement vers l’exciton à transfert de charge, qui se recombine radiativement avec une constante de temps de 1– 2 nanoseconde, alors que les seconds se relaxent sur de plus longues échelles de temps via l’effet tunnel. Notre modèle photophysique quantitatif démontre que 2 % de l’excitation créée ne peut jamais se dissocier en porteurs de charge libre, un chiffre qui est en accord avec les rendements élevés rapportés pour ce type de système.

Développement d'un matériau photocatalytique pour l'oxydation de méthanol dans l'eau

La photocatalyse est un procédé d’oxydation avancé très intéressant puisqu’il ne nécessite l’ajout d’aucun réactif chimique. Beaucoup de compagnies souhaitent utiliser ce procédé pour le traitement des gaz et des eaux. Les services Exp inc. est une compagnie qui s’intéresse à la dégradation des composés organiques volatils en milieu aqueux. Ils ont comme objectif d’améliorer leurs technologies et d’en développer de nouvelles comme la photocatalyse. L’objectif ce de projet de maîtrise est de développer un matériau capable d‘oxyder le méthanol en phase aqueuse. Le développement d’un tel photocatalyseur permet d’évaluer systématiquement l’impact de toutes les modifications apportées à un matériau de base et d’en comprendre les bénéfices. Le matériau préparé est basé sur des nanotiges de WO3 synthétisées par voie hydrothermale où l’on ajoute des nanoparticules de TiO2 pour former un composé mixte. Un co-catalyseur de réduction, le platine, est ajouté par photodéposition sur le composé TiO2/WO3. Le produit est finalement traité à l’hydrogène pour en augmenter l’activité catalytique. Pour tester les matériaux, un réacteur photocatalytique a été conçu. Le réacteur possède deux configurations, soit une avec une lampe ultraviolette plongée dans l’eau et une avec une bande de diodes électroluminescentes bleues autour du réacteur. Les modifications, telles que le traitement sous hydrogène et l’ajout de platine, augmentent considérablement l’activité des photocatalyseurs. Les nanotiges de WO3 possèdent une faible surface spécifique offrant donc une activité inférieure à un autre composé avec plus de surface. L’activité des photocatalyseurs est plus faible que celles desprocédés utilisant du peroxyde. Cependant, plusieurs avantages sont remarqués. La photocatalyse se fait à pH neutre et il est possible d’utiliser de la lumière visible. Un matériau photocatalytique basé sur des nanoparticules de WO3 à haute surface spécifique avec du TiO2, du platine et traité à l’hydrogène pourrait offrir une avenue intéressante pour Exp inc.

Temperature and electric field dependent mobility in poly„3-hexylthiophene diodes

Current-voltage (I-V) curves of Poly(3-hexyl-thiophene) (P3HT) diodes have been collected to investigate the polymer hole-dominated charge transport. At room temperature and at low electric fields the I-V characteristic is purely Ohmic whereas at medium-high electric fields, experimental data shows that the hole transport is Trap Dominated - Space Charge Limited Current (TD-SCLC). In this regime, it is possible to extract the I-V characteristic of the P3HT/Al junction showing the ideal Schottky diode behaviour over five orders of magnitude. At high-applied electric fields, holes’ transport is found to be in the trap free SCLC regime. We have measured and modelled in this regime the holes’ mobility to evaluate its dependence from the electric field applied and the temperature of the device.

Hybrid light-emitting diodes based on flexible sheets of mass-produced ZnO nanowires

We report the production of free-standing thin sheets made up of mass-produced ZnO nanowires and the application of these nanowire sheets for the fabrication of ZnO/organic hybrid light-emitting diodes in the manner of assembly. Different p-type organic semiconductors are used to form heterojunctions with the ZnO nanowire film. Electroluminescence measurements of the devices show UV and visible emissions. Identical strong red emission is observed independent of the organic semiconductor materials used in this work. The visible emissions corresponding to the electron transition between defect levels within the energy bandgap of ZnO are discussed.

Hydrogen gas sensing properties of Pt/Ta2O5 Schottky diodes based on Si and SiC substrates

In this paper, we fabricated Pt/tantalum oxide (Ta2O5) Schottky diodes for hydrogen sensing applications. Thin (4 nm) layer of Ta2O5 was deposited on silicon (Si) and silicon carbide (SiC) substrates by radio frequency (RF) sputtering technique. We compared the performance of these sensors at different elevated temperatures of 100 ∘C and 150 ∘C. At these temperatures, the sensor based on SiC exhibited a larger sensitivity while the sensor based on Si exhibited a faster response toward hydrogen gas. We discussed herein, the responses exhibited by the Pt/Ta2O5 based Schottky diodes demonstrated a promising potential for hydrogen sensing applications.

Hybrid light-emitting diodes based on ZnO nanowires

ZnO is a wide band-gap semiconductor that has several desirable properties for optoelectronic devices. With its large exciton binding energy of ~60 meV, ZnO is a promising candidate for high stability, room-temperature luminescent and lasing devices [1]. Ultraviolet light-emitting diodes (LEDs) based on ZnO homojunctions had been reported [2,3], while preparing stable p-type ZnO is still a challenge. An alternative way is to use other p-type semiconductors, ether inorganic or organic, to form heterojunctions with the naturally n-type ZnO. The crystal structure of wurtzite ZnO can be described as Zn and O atomic layers alternately stacked along the [0001] direction. Because of the fastest growth rate over the polar (0001) facet, ZnO crystals tend to grow into one-dimensional structures, such as nanowires and nanobelts. Since the first report of ZnO nanobelts in 2001 [4], ZnO nanostructures have been particularly studied for their potential applications in nano-sized devices. Various growth methods have been developed for growing ZnO nanostructures, such as chemical vapor deposition (CVD), Metal-organic CVD (MOCVD), aqueous growth and electrodeposition [5]. Based on the successful synthesis of ZnO nanowires/nanorods, various types of hybrid light-emitting diodes (LEDs) were made. Inorganic p-type semiconductors, such as GaN, Si and SiC, have been used as substrates to grown ZnO nanorods/nanowires for making LEDs. GaN is an ideal material that matches ZnO not only in the crystal structure but also in the energy band levels. However, to prepare Mg-doped p-GaN films via epitaxial growth is still costly. In comparison, the organic semiconductors are inexpensive and have many options to select, for a large variety of p-type polymer or small-molecule semiconductors are now commercially available. The organic semiconductor has the limitation of durability and environmental stability. Many polymer semiconductors are susceptible to damage by humidity or mere exposure to oxygen in the air. Also the carrier mobilities of polymer semiconductors are generally lower than the inorganic semiconductors. However, the combination of polymer semiconductors and ZnO nanostructures opens the way for making flexible LEDs. There are few reports on the hybrid LEDs based on ZnO/polymer heterojunctions, some of them showed the characteristic UV electroluminescence (EL) of ZnO. This chapter reports recent progress of the hybrid LEDs based on ZnO nanowires and other inorganic/organic semiconductors. We provide an overview of the ZnO-nanowire-based hybrid LEDs from the perspectives of the device configuration, growth methods of ZnO nanowires and the selection of p-type semiconductors. Also the device performances and remaining issues are presented.

Pt/TiO2 nanotubes/SiC schottky diodes for hydrogen gas sensing applications

Titanium oxide nanotubes Schottky diodes were fabricated for hydrogen gas sensing applications. The TiO2 nanotubes were synthesized via anodization of RF sputtered titanium films on SiC substrates. Two anodization potentials of 5 V and 20 V were used. Scanning electron microscopy of the synthesized films revealed nanotubes with avarage diameters of 20 nm and 75 nm. X-ray diffraction analysis revealed that the composition of the oxide varied with the anodization potential. TiO2 (anatase) being formed preferentially at 5 V and TiO (no anatase) at 20 V. Current-voltage characteristics of the diodes were studied towards hydrogen at temperatures from 25°C to 250°C. At constant current bias of −500 μA and 250°C, the lateral voltage shifts of 800 mV and 520 mV were recorded towards 1% hydrogen for the 5 V and 20 V anodized nanotubes, respectively.

Hydrogen gas sensing properties of Pt/Ta2O5 Schottky diodes based on Si and SiC substrates

We developed Pt/tantalum oxide (Ta2O5) Schottky diodes for hydrogen sensing applications. Thin layer (4 nm) of Ta2O5 was deposited on silicon (Si) and silicon carbide (SiC) substrates using the radio frequency sputtering technique. We compared the performance of these sensors at different temperatures of 100 °C and 150 °C. At these operating temperatures, the sensor based on SiC exhibited a larger sensitivity, whilst the sensor based on Si exhibited a faster response toward hydrogen gas. We discussed herein, the experimental results obtained for these Pt/Ta2O5 based Schottky diodes exhibited that they are promising candidates for hydrogen sensing applications.

Controlled electroluminescence of n-ZnMgO/p-GaN light-emitting diodes

Effective control of room-temperature electroluminescence of n-ZnMgO/p-GaN light-emitting diodes (LEDs) over both emission intensity and wavelength is demonstrated. With varied Mg concentration, the intensity of LEDs in the near-ultraviolet region is increased due to the effective radiative recombination in the ZnMgO layer. Furthermore, the emission wavelength is shifted to the green/yellow spectral region by employing an indium-tin-oxide thin film as the dopant source, where thermally activated indium diffusion creates extra deep defect levels for carrier recombination. These results clearly demonstrate the effectiveness of controlled metal incorporation in achieving high energy efficiency and spectral tunability of the n-ZnMgO/p-GaN LED devices.

Cubic silsesquioxanes for use in solution processable organic light emitting diodes (OLED)

Commercial products using organic light emitting diode (OLED) display technology have begun to appear in cell phones, mp3 players and even televisions. One key area that has allowed and will allow for this technology to continue its ascension into the flat panel display and lighting markets is materials R and D. From this perspective, recent progress in cubic silsesquioxane (SSQ) based materials may provide some new advantageous properties well suited for OLEDs. In this feature article we provide an overview of recent progress in the synthesis, characterization and implementation of SSQ-based materials with properties well suited for application in solution processable organic/polymer electronics, specifically OLEDs.