Etude par microscopie à force atomique en mode non contact et microscopie à sonde de Kelvin, de matériaux modèles pour le photovoltaïque organique

par Evan Spadafora

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Benjamin Grevin.

Soutenue le 04-11-2011

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Structures et Propriétés d'Architectures Moléculaires (équipe de recherche) .

Le président du jury était Hervé Courtois.

Le jury était composé de Benjamin Grevin, Frank Palmino, Philippe Leclere, Jean-martial Cohard, Michel Campillo, Francois-xavier Merrien.

Les rapporteurs étaient Thierry Melin, Jacques Cousty, Joseph Dichy.


  • Résumé

    La nanostructure et les propriétés électroniques de matériaux modèles pour le photovoltaïque organique, ont été étudiées en utilisant la Microscopie à Force Atomique en mode non contact sous ultra-vide (NC-AFM) et la Microscopie à sonde de Kelvin (KPFM). En utilisant le mode modulation d'amplitude (AM-KPFM), le potentiel de surface photo- généré dans des mélanges donneur-accepteur présentant une ségrégation de phase optimale a pu être visualisé à l'échelle du nanomètre. Afin de préciser la nature des forces mises en jeu dans le processus d'imagerie KPFM, des oligomères π-conjugués auto-assemblés ont ensuite été étudiés. Une transition entre régimes à longue et à courte portée a ainsi été mise en évidence en combinant l'imagerie en haute résolution aux mesures de spectroscopie en distance. Ces mesures ont également démontré que l'influence des forces électrostatiques à courte portée peut être minimisée en travaillant au seuil du contraste de dissipation. Enfin cette procédure a été utilisée, en combinaison avec les mesures de spectroscopie de photoélectrons UV, pour analyser la fonction de sortie locale d'électrodes transparentes à base de nanotubes de carbone fonctionnalisés.

  • Titre traduit

    Noncontact Atomic Force Microscopy and Kelvin Probe Force Microscopy investigations of model materials for organic photovoltaics


  • Résumé

    In this thesis, noncontact atomic force microscopy (NC-AFM) and Kelvin probe force microscopy (KPFM) under ultrahigh vacuum have been applied to investigate the nanostructure and electronic surface properties of model materials for organic photovoltaics. First, it has been demonstrated that the surface photovoltage of nanoscale phase segregated donor-acceptor photovoltaic blends can be finely resolved at the nanometer scale by using amplitude modulation KPFM (AM-KPFM). Next, model self-assembled π-conjugated oligomers have been investigated, in order to obtain a deeper insight into the nature of the tip-surface forces involved in the KPFM imaging process. A crossover between long-range (LR) and short-range (SR) regimes has been evidenced by combining high resolution imaging with distance-spectroscopy measurements. It has also been shown that the influence of the SR electrostatic forces can be minimized by working at the onset of the damping contrast. Finally, using this procedure, the local work function of flexible transparent electrodes, comprised of functionalized carbon nanotubes by metallic nanoparticles, has been investigated, and compared to the averaged value deduced from ultraviolet photoelectron spectroscopy.


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