Incorporation de NTC dans des transistors à base de P3HT

Dans ce chapitre, le but est d’étudier l’incorporation des NTC en configuration transistor. Dans la littérature, l’orientation des NTC sous champ électrique est bien connue en solution [5] et est utilisée pour la fabrication de transistors et de capteurs de gaz [13][153]. La configuration transistor a donc été préférée dans un premier temps car l’orientation électrique des NTC dans la couche active des cellules solaires pose des difficultés techniques. En effet, l’un des principaux moyens de dépôt de la couche active des cellules est la tournette. Il n’existe pas de moyen simple d’orienter électriquement les NTC pendant ce type de dépôt. Après la tournette, la couche active est cristallisée et il est donc difficile d’orienter les NTC. De plus, il faut deux électrodes pour l’orientation électrique et la deuxième électrode est déposée après la couche active. Enfin, il est aussi difficile de vérifier si les NTC ont été orientés électriquement entre deux électrodes planes. Après un bref rappel sur les transistors à base de P3HT, l’influence des NTC en configuration transistor à base de P3HT est étudiée. Pour cela, les effets de concentration, de fonctionnalisation et d’orientation des NTC ainsi que de recuit sont analysés. Enfin, les résultats surprenant obtenus quant à la percolation ont menés à de nouvelles expériences pour comprendre l’effet de la percolation et trouver le seuil de percolation des NTC dans les transistors fabriqués.

Le transistor à base de P3HT

Les transistors organiques sont étudiés depuis de nombreuses années. Le besoin d’obtenir des dispositifs peu coûteux et flexibles a intensifié les recherches ces dernières années. Les premiers transistors organiques ont été fabriqués il y a presque 30 ans en 1984. L’augmentation de la mobilité est impressionnante entre les premiers transistors proches de 10-5 alors que maintenant ils peuvent atteindre plus de 1 cm2.V-1.s-1 (Figure IV-1) [154]. En dépassant la barrière des 1 cm2.V-1.s-1, les transistors organiques deviennent donc compétitifs avec les transistors inorganiques tels que ceux à film mince comprenant du silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H). L’augmentation de la mobilité des transistors organiques au cours des années est due à la fois à l’amélioration des techniques de fabrication des transistors et à la synthèse de nouvelles molécules plus performantes.

Les transistors à base de P3HT ont été très étudiés car ils permettent d’avoir une bonne mobilité d’environ 0,01 à 0,1 cm2.V-1.s-1 et un bon rapport Ion/Ioff mesuré à l’air supérieur à 100 et atteignant 10-6 sous atmosphère inerte [155][156]. Cette forte mobilité est due aux interactions de Π-Π stacking possible impliquant une cristallinité d’une partie du polymère. Cette partie cristalline sert au transfert et transport des électrons alors que la partie amorphe sert au transfert et transport des trous [157]. Comme expliqué précédemment (chapitre III), les propriétés du P3HT sont dépendantes à la fois du P3HT et de l’environnement. Dans les transistors, deux principaux paramètres influencent les performances. Il s’agit du poids moléculaire du P3HT et de la méthode de dépôt. Sirringhaus et al. ont été les premiers à montrer l’influence du poids moléculaire sur la cristallinité du P3HT [158]. Plus récemment, une étude a été menée par Kline et al. sur différents types de P3HT à différents poids moléculaires [159]. Il apparait clairement quelque soit le type de P3HT que plus le poids moléculaire est élevé plus la mobilité augmente (Figure IV-2). Pour le P3HT commercial de la société Rieke utilisé lors de cette thèse l’augmentation du poids moléculaire d’environ 5 à 40 kDa fait augmenter la mobilité d’environ 104 cm2.V-1.s-1. Le P3HT utilisé dans cette thèse à un poids moléculaire d’environ 20 à 30 kDa, la mobilité attendue est donc de l’ordre de 103 cm2.V-1.s-1.

La technique utilisée pour le dépôt du P3HT lors de la fabrication des transistors influence grandement la mobilité. En effet, Sirringhaus et al. [158][160] ont trouvé deux orientations préférentielles à l’aide de caractérisations par DRX pour les domaines cristallins du P3HT par rapport à la surface. Soit le P3HT se positionne parallèlement à la surface, soit perpendiculairement (Figure IV-3). Cette différence de positionnement entraine une différence de la valeur de la mobilité qui peut être supérieure à 100 cm2.V-1.s-1. L’orientation perpendiculaire permet d’avoir de meilleures mobilités car le Π-Π stacking est dans le plan dans lequel le transport des charges a lieu. De plus, Sirringhaus et al. ont aussi montré que le dépôt à la tournette favorise l’orientation parallèle alors que le dépôt par goutte favorise l’orientation perpendiculaire [158]. En réalité, le positionnement dépend surtout de la vitesse à laquelle le solvant est évaporé. Cela veut dire que pour de faibles vitesses, le dépôt à la tournette permet aussi d’avoir une orientation perpendiculaire [161]. Le dépôt choisi lors de cette thèse est le dépôt par goutte. Le solvant sèche donc lentement à l’air. La technique de dépôt choisie doit donc être favorable pour avoir de bonne mobilité du P3HT.