Thèse soutenue

Implémentation et étude des transistors à effet de champ en quasi bidimensionels films minces
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Auteur / Autrice : Sven Renkert
Direction : Jean-Luc BubendorffGünter Reiter
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 11/12/2020
Etablissement(s) : Mulhouse en cotutelle avec Albert-Ludwigs-Universität (Freiburg im Breisgau, Allemagne)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Science des Matériaux de Mulhouse - Institut de Science des Matériaux de Mulhouse / IS2M

Résumé

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L’un des enjeux essentiels dans le domaine de l’électronique moléculaire est de réussir à réaliser des films minces organiques semiconducteurs parfaitement cristallisés sur des oxydes thermiques sur wafers de silicium. Ces films doivent présenter des fortes mobilités électriques afin d’obtenir un transistor à effet de champ (FET) performant. Or, la plupart des matériaux organiques utilisés dans la littérature,ne mouille pas ce type de substrat limitant ainsi fortement la mobilité électrique.Ce travail de thèse a permis de lever cette difficulté grâce à une méthode de cristallisation qui permet de réaliser des couches organiques présentant une seule orientation cristallographique sur des domaines d’une surface de l’ordre du mm2. Le processus expérimental proposé se généralise facilement à des systèmes moléculaires autres que les oligothiophenes employés dans ce mémoire puisqu’il suppose uniquement une forte anisotropie des vitesses de croissance cristallines dans deux différentes directions de croissance. C’est le cas par exemple pour tous les systèmes dont la croissance fait appel à des interactions π-π entre molécules voisines. Nous avons également réalisé et caractérisé des transistors à effet de champ obtenus par cette méthode.Ils présentent des mobilités de deux ordres de grandeurs au-dessus de celle des films non cristallisés. Nous avons mis en évidence l’existence d’une monocouche supramoléculaire d’interface présentant une forte conductivité.Celle-ci interconnecte, non seulement électriquement mais aussi en terme d’orientation cristalline, des domaines de croissance qui ont l’air spatialement séparés lorsque nous les observons en microscopie optique et en microscopie à force atomique. Cette couche conduit à une mobilité de trous en configuration FET d’un ordre de grandeur supérieur à celle d’un film amorphe. L’un des avantages pratiques d’une structure FET utilisant un film mince organique est que ce type de dispositif est très sensible à la présence d’adsorbats, et de ce fait peut servir de détecteur de molécules cibles dans un environnement liquide ou gazeux.Puisque nos dispositifs FET sont stables à l’air, nous avons testé leur efficacité de détection de molécules cibles comme l’acétone et le 2,4-Dinitrotoluene (DNT).Notre détecteur est insensible au DNT porté par un gaz inerte alors que la fluorescence des oligothiophènes employés est fortement atténuée en milieu liquide par le DNT. Par contre, nous mettons en évidence une très forte sensibilité à l’acétonede notre détecteur de gaz bien plus importante que celle des détecteurs utilisant le Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) ou P3HT, un standard en détecteur à base de polymères conducteurs.