Growth of pentacene on parylene and on BCB for organic transistors application, and DNA-based nanostructures studied by Amplitude : Modulation Atomic Force Microscopy in air and in liquids

par Maksym Iazykov

Thèse de doctorat en Physique et science des matériaux

Sous la direction de Magali Phaner-Goutorbe et de Valeriy Skryshevskiy.

Soutenue le 22-06-2011

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon , dans le cadre de École Doctorale des Matériaux (Lyon) .

Le président du jury était Jean-Paul Rieu.

Le jury était composé de Magali Phaner-Goutorbe, Jacques Tardy, Valeriy Skryshevskiy.

Les rapporteurs étaient Cendrine Moskalenko, Philippe Leclere.

  • Titre traduit

    Application de la microscopie à force atomique (AFM), pour la caractérisation de semi-conducteurs organiques et de réseaux d’ADN, pour des applications en électronique organique et en biologie


  • Résumé

    Ce travail de thèse porte sur les divers aspects de l'application de la microscopie à force atomique (AFM), pour la caractérisation de semi-conducteurs organiques et de réseaux d’ADN, pour des applications en électronique organique et en biologie. Sur ces surfaces molles, le mode de fonctionnement Amplitude modulation de l’AFM a été choisi. Ce choix est argumenté par une étude des processus dissipatifs, réalisée sur un échantillon particulier, une puce à ADN. Nous avons montré l’influence des paramètres expérimentaux d’amplitude sur la qualité des images topographique et de phase. A partir du calcul de l’énergie dissipative, il a été montré que la dissipation sur la puce ADN était principalement induite par une interaction pointe-échantillon de type viscoélastique. L’étude par AFM de la croissance “thickness-driven“ du pentacène a été réalisée afin de relier sa morphologie à la nature du substrat et aux performances électriques pour la réalisation de transistors organiques à effet de champ, OFET (Organic Field EffectTransistor). Déposé sur deux substrats de polymères, le parylène et le benzocyclobutène (BCB), le pentacène a été caractérisé à l’échelle nanométrique pour des épaisseurs de film entre 6 et 60nm. Il a été démontré que les grains créés par le dépôt étaient les plus étendus pour une épaisseur déposée de 30nm. La spectroscopie AFM en mode contact a été utilisée, comme une alternative à la méthode des angles de contact, pour mesurer localement l'énergie de surface. Une énergie de surface minimale caractéristique d’une surface mieux ordonnée a été mesurée pour l’épaisseur de pentacène déposée de 30nm pour les deux substrats. Des méthodes spectrales d'analyse statistique d’images, à base de PSD (Power Spectrum Density), ont été utilisées pour expliquer la morphologie des films de pentacène. En outre, ces modèles ont fourni une description exhaustive non seulement de la surface accessible de l’échantillon, mais aussi de ses propriétés structurales intérieures. Mise en évidence dans les modèles, cette épaisseur critique de 30nm correspond à une transition de la phase orthorhombique à la phase triclinique pour les molécules de pentacène déposées surparylène. De même, une transition polymorphique se produit sur le BCB. Sur des OFET créés à base de pentacène sur BCB, la mobilité la plus importante de 3.1x10-2cm²/Vs correspond à la couche de pentacène de 30nm, ce qui montre l'avantage de l'moléculaire orthorhombique en comparaison du triclinique. L’assemblage moléculaire de structures en X et en Y à base d’ADN a été observé par AFM à l’air et dans deux solutions buffer de Tris et HEPES sur un substrat de mica. Il a été montré que le traitement du mica par des ions Ni2+ augmente la force d’interaction ADN/substrat et réduit la diffusivité des molécules. A l'air, des macromolécules filaires contenant une seule structure double brin sont observées sur le mica non traité et des macromolécules avec une géométrie 2D ramifiée, sur le mica prétraité. Sur une surface non-traitée, l’agitation thermique suffit à déplacer les molécules d’ADN faiblement liées au mica, ce qui conduit à la formation de structures plus simples 1D. L’organisation est différente dans les solutions de Tris et d’HEPES. Dans la solution deTris, contenant des cations Mg2+, les arrangements conduisent à une architecture 2D, bien organisée. Dans la solution d’HEPES, contenant des cations Ni2+, la force ionique est 10 fois plus faible, qui conduit à une rupture des liaisons préalablement formées entre le mica et l'ADN. Cependant, les molécules d'ADN restent les unes près des autres en raison d'une substitution partielle des cations de Mg2+ déjà adsorbés par les cations de Ni2+ de plus grande affinité avec le mica. [...]


  • Résumé

    This work reports the various aspects of the application of atomic force microscopy (AFM), for the characterization of organic semiconductors and DNA-based arrays, for organic electronics and biological applications. On these soft surfaces, the amplitude modulation AFM mode was chosen. This choice is argued by a study of dissipative processes, performed on a particular sample, a DNA chip. We showed the influence of experimental parameters on the topographic and phase image quality. By calculating the dissipative energy, it was shown that the dissipation on the DNA chip was mainly induced by a viscoelastic tip-sample interaction.The AFM study of the "thickness-driven” pentacene growth was made to link the morphology to the nature of the substrate and to the electrical performance of created pentacene-based Organic Field Effect Transistor (OFET). Deposited on two polymer substrates, parylene and benzocyclobutene (BCB), pentacene has been characterized for nanoscale film thicknesses between 6 and 60nm. It has been shown that the larger grains were created for a deposited thickness of 30nm. Spectroscopic AFM mode was used as an alternative to the method of contact angles, to measure local surface energy. Decrease of surface energy is characteristic of a more ordered surface and was measured for a thickness of 30 nm of pentacene deposited on both substrates. Models of statistical analysis of spectral images, based on the Power Spectrum Distribution (PSD) have been used to explain the morphology of pentacene films. In addition, these models have provided a comprehensive description not only of the accessible surface of the sample, but also of its internal structural properties. Highlighted in the models, the critical thickness of 30 nm corresponds to a transition from the orthorhombic phase to the triclinic phase for pentacene molecules deposited on parylene. Similarly, a polymorphic transition occurs on the BCB. On OFETs, based on pentacene on BCB, the largest mobility of 3.1x10-2 cm²/Vs corresponds to the pentacene layer of 30nm, that shows a better ordering of the orthorhombic molecular packing in comparison with the triclinic packing.The molecular arrangement of X and Y structures based on DNA was observed, by AFM, in air and in two buffer solutions of Tris and HEPES on a mica substrate. It was shown that the treatment of the mica by Ni2 + ions increases the strength of the DNA/substrate interaction and reduces the diffusivity of the molecules. In air, wired macromolecules containing one double-stranded structure are observed on untreated mica and macromolecules with a 2D geometry on pretreated mica. Onto a non-treated, the greater thermal motion of weakly bounded to mica DNA molecules leads to the rupture of intermolecular bonding and the forming structures are more simple and not branched. The organization is different in solutions of Tris and HEPES. In the Tris solution, containing Mg2+ cations, the arrangement leads to a well-organized 2D architecture. In the HEPES solution, containing Ni2+ cations, the ionic strength is 10 times lower, this leads to a breaking of the bonds previously formed between DNA and mica. However, DNA molecules are near each other due to a partial substitution of already adsorbed Mg2 + cations by Ni 2 + cations of higher affinity with the mica. These results show that the two liquids promote a 2D assembly. In air, the networks are not stable and the few observed ones remain in a dendritic structure on the surface of pretreated mica and as a linear macromolecule on the untreated mica.


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