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Conception, synthèse et caractérisation de semi-conducteurs moléculaires à dimensionnalité élevée

par Richard, Audrey
Président du jury Luhmer, Michel
Promoteur Geerts, Yves
Publication Non publié, 2017-08-25

Thèse de doctorat

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Résumé :

L’organique électronique, qui repose sur l’utilisation de molécules et macromolécules fi-conjuguées comme semi-conducteurs dans divers dispositifs électroniques, connaît un essor considérable depuis une vingtaine d’années. L’utilisation de molécules organiques octroie de nombreux avantages vis-à-vis du silicium actuellement largement utilisé comme semi-conducteur. Citons par exemple la facilité de mise en oeuvre et la flexibilité méca- nique. La synthèse de nouvelles structures moléculaires est un axe important pour la mise au point de semi-conducteurs organiques plus performants mais aussi pour fournir les systèmes physiques nécessaires à la compréhension des processus physico-chimiques inhérents au transport de charges. Le paramètre primordial pour déterminer la qualité des semi-conducteurs est la mobilité des charges (μ), soit l’efficacité avec laquelle les charges se déplacent au sein des matériaux pi-conjugués. Il n’est pas impossible, qu’un jour, les performances des semi-conducteurs organiques dépassent celles du silicium en raison de la grande diversité de structures moléculaires accessibles via la synthèse organique. Le contrôle de la dimensionnalité de la structure électronique dans les solides organiques moléculaires est crucial pour le développement des dispositifs électroniques organiques à hautes performances. La dimensionnalité correspond au nombre de dimensions de l’espace (1D, 2D, 3D) dans lesquelles les charges peuvent se déplacer, plus celle-ci sera faible, plus le transport de charges sera sensible aux défauts. Dans ce contexte, nous nous sommes basés sur l’étude menée par Schweicher et al. sur le 2,7-di-tert-butyl[1]benzothiéno[3,2- b]benzothiophène, présentant une dimensionnalité des propriétés du transport de charges proche de deux. Ce travail repose sur la synthèse et la caractérisation de semi-conducteurs moléculaires sur base du [1]benzothiéno[3,2-b]benzothiophène (BTBT) dans le but d’augmenter la dimensionnalité du transport de charges. Pour ce faire, différents groupements aromatiques mais également plusieurs substituants dont le tert-butyle ont été greffés au BTBT. Ce travail a permis de voir que la relation structure-propriétés est difficilement prédictible mais il s’avère que la présence des groupements tert-butyles permet d’augmenter la dimensionnalité dans la plupart des cas. Cependant, lorsque des groupements 2-méthylnonyles sont utilisés à la place des tert-butyles, la structure cristalline des semi-conducteurs présentent généralement du désordre structural, néfaste aux propriétés du transport de charges. Du polymorphisme a aussi été décelé pour quelques semi-conducteurs munis de chaînes octyles. En plus de différents substituants, des groupements aromatiques ont été greffés au BTBT tels que des phényles, des thiényles, des bithiényles et également une unité BTBT pour former le dimère. Contre toute attente, l’allongement du système pi n’a pas conduit à la diminution du potentiel d’ionisation. Néanmoins, l’ajout de longues chaînes alkyles induit le rapprochement spatial des systèmes conjugués au sein de la maille cristalline, octroyant aux semi-conducteurs un potentiel d’ionisation plus faible ainsi que des intégrales de transport plus élevées, propices au transport de charges. Ce travail a permis également de faire une étude préliminaire du transport de charges au sein de monocristaux sur trois semi-conducteurs dont deux nouvellement synthétisés.