Elaboration and characterization of field-effect transistors based on organic molecular wires for chemical sensing applications

par Peter Lienerth

Thèse de doctorat en Physique des semi-conducteurs

Sous la direction de Thomas Heiser.

Le président du jury était Bernard Doudin.

Le jury était composé de Françoise Serein-Spirau.

Les rapporteurs étaient George G. Malliaras, Klaus Leifer.

  • Titre traduit

    Elaboration et caractérisation de transistors organiques à effet de champs à base de fils moléculaires pour des applications capteurs.


  • Résumé

    Il est reconnu que la structure des semi-conducteurs organiques influence la sensibilité et la sensitivité des capteurs des gaz. Pour améliorer la compréhension des mécanismes sous-jacents dans les capteurs à base des transistors d’effet de champ organique (OFETs) cette thèse a exploré trois pistes différentes : L’utilisation de l’hystérésis des caractéristiques de transfert comme paramètre de détection des gaz est étudié. En ajoutant l’hystérésis aux paramètres standards, on améliore la sélectivité des OFETs à base de poly(3-hexylthiophène) aux gaz polaires. Des mesures transitoires de courant indiquent que la cinétique de piégeage et de piégeage des porteurs de charges est à l’origine de cette amélioration. Pour comprendre l’influence qu’à la structure moléculaire sur la sensibilité aux vapeurs d’éthanol, des polymères avec des chaînes latérales alcoxyle dont on fait varier la polarité ainsi que l’encombrement stérique, ont été étudiés. L’intensité de la réponse est corrélée avec la quantité d’analyte absorbée et le moment dipolaire des chaînes latérales. Pour permettre l’étude des mécanismes à l’échelle nanométrique, une partie de ce travail se concentre sur la fabrication de transistors avec une taille de canal réduite. En utilisant le nitrure de silicium comme couche diélectrique, on réduite les tensions de commande et les propriétés chimiques à l’interface.


  • Résumé

    The molecular structure of organic semiconductors which can be tailored by the chemical synthesis influences the sensitivity and selectivity of gas sensor devices. To improve the understanding of the ongoing mechanisms in sensors based on organic field effect transistors (OFETs) this thesis follows three different tracks: The applicability of the hysteresis of the transfer characteristics as a gas sensing parameter is studied. As a complement to the standard transistor parameters the hysteresis improves the selectivity of poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl) based OFETs to polar gases. Transient current measurements indicate the additional dependence on the detrapping kinetics as origin of the increased selectivity. To understand the influence of the molecular structure on the gas sensing behavior, polymers with alkoxy side chains, varying in polarity and steric hindrance, are used as gas sensing layer for ethanol vapor. The response strength correlates with the amount of absorbed analyte and the dipole moment of the side chains. To enable investigations of the mechanisms at the nanoscale, one part of this work focuses on the preparation of transistors with a reduced channel length. By using silicon nitride as dielectric layer, driving voltages decreased and interface properties could be improved.


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