Transport de charges dans des couches minces hybrides à base de polymère conjugué et de nanocristaux de semi-conducteurs

par Elsa Couderc

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de David Djurado et de Peter Reiss.

Soutenue le 01-12-2011

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 Daniel Bellet.

Le jury était composé de David Djurado, Peter Reiss, Andreu Cabot, Patrick Rousseau, Pascal Louvet, Luca Perniola.

Les rapporteurs étaient Jean-louis Fave, Bernard Ratier, Christian Degache.


  • Résumé

    Cette thèse a pour but d'étudier le transport de charges pho- togénérées dans des matériaux hybrides composés de polymères π-conjugués et de nanocristaux de semi- conducteurs, conçus pour des applications en opto-électronique. La synthèse chimique permet d'obtenir des nanocristaux de CdSe à l'échelle du gramme ayant une faible polydispersité et des formes contrôlées (sphériques, branchées). Les ligands de surface des nanocristaux de CdSe sont échangés par de petites molécules (pyridine, éthanedithiol, phénylènediamine, butylamine, benzènedithiol) afin d'augmenter leur conductivité. L'échange de ligands modifie les niveaux énergétiques des nanocristaux, comme le montrent des études optiques et électrochimiques. Le poly(3-hexylthiophène) déposé sous forme de couches minces présente différents degrés de couplage intermoléculaire et de désordre énergétique selon la méthode de dépôt et le solvant utilisé. Dans les films hybrides, des mesures de diffraction de rayons X en incidence rasante montrent que la structuration cristalline de la matrice organique est modifiée par la présence des nanocristaux. Les mesures de Temps-de-Vol dans les couches hybrides montrent que les mobilités des trous et des électrons varient avec le contenu en nanocristaux, ainsi qu'avec leur forme et leurs ligands. De faibles fractions de nanocristaux provoquent une amélioration de la mobilité des trous, tandis que de plus grandes fractions la détériorent. Les mobilités électroniques sont soumises à une fraction-seuil, as- similable à un seuil de percolation. La fraction optimale de nanocristaux, du point de vue des mobilités des trous et des électrons, est de 36% en volume pour les nanocristaux sphériques avec les ligands de synthèse. Enfin, les simulations Monte-Carlo des courants transitoires photo-générés, dans un échantillon de poly(3-hexylthiophène) et dans un hybride, montrent d'une part que la distribution énergétique du poly(3-hexylthiophène) domine l'allure des courants simulés et d'autre part que les nanocristaux peuvent être assimilés à des sites difficilement accessibles du réseau cubique.

  • Titre traduit

    Charge transport in hybrid thin films based on conjugated polymers and semiconductor nanocrystals


  • Résumé

    The aim of this work is the study of photogenerated charge transport in hybrid films composed of π-conjugated polymers and of semiconductor nanocrystals, designed for applications in optoelectronics. Chemical synthesis provides gram-scale samples of CdSe nanocrystals, of low polydispersity and con- trolled shapes (spherical, branched). In order to enhance their conductivity, the surface ligands of CdSe nanocrystals (stearic acid, oleylamine) are exchanged by smaller molecules, namely pyridine, ethanedithiol, phenylenediamine, butylamine and benzenedithiol. Optical and electrochemical studies show that the lig- and exchange modifies the nanocrystals' energy levels. Poly(3-hexylthiophene) thin films exhibit varying degrees of energetical disorder and of intermolecular coupling, depending on the processing method and on the solvent used. In hybrid films, the crystallinity of P3HT, probed by grazing incidence X-ray diffraction, is modified by the presence of nanocrystals. Time-of-Flight measurements of hybrid films show that elec- tron and hole mobilities vary with the content of nanocrystals, with their shape, and with their ligands. Small volume fractions of nanocrystals enhance the hole mobility, and large fractions degrade it. Electron mobilities are percolation-limited: they reach a stable value for a threshold fraction of nanocrystals. The optimal fraction of nanocrystals for electron and hole mobilities is 36 vol% in hybrids made of spherical nanocrystals with their synthesis synthesis ligands. Finally, Monte Carlo simulations of photogenerated current transients in pristine poly(3-hexylthiophene) and in a hybrid sample show on one hand that the energy distribution of poly(3-hexylthiophene) rules the shape of the simulated transients, and on the other hand that nanocrystals can be described as little accessible sites of the hopping lattice.


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