Elaboration et étude de matériaux hybrides orientés et nanostructurés d'intérêt pour l'électronique organique

Elabotation and characterization of oriented and nanostructured hybrid materials of interest for organic electronics

• Auteur / Autrice : Lucia Hartmann
• Direction : Martin Brinkmann, Frédéric Chandezon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 04/04/2012
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Sadron (Strasbourg ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Thomas Heiser
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Johann Bouclé, Marie-Louise Saboungi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Henri Geerts, Thierry Toupance

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épitaxie

Nanocristaux semiconducteurs

Semiconducteurs organiques

Polymères orientés

Mots clés libres

Organique électronique

Polymère semi-conducteur

Poly(3-hexylthiophène)

Orientation des polymères

Brossage mécanique

Nanocristaux semiconducteurs

Epitaxie

Ligand

Organic electronics

Semi-conducting polymers

Poly(3-hexylthiophene)

Orientation of polymers

Mechanical rubbing

Epitaxy

Ligand exchange

Semi-conducting nanocrystals

Résumé

Le but de cette thèse était d’élaborer et d’étudier des films minces hybrides orientés et nanostructurés composés d’un polymère semi-conducteur, le poly(3-hexylthiophène) regiorégulier (P3HT) et de nanocristaux semiconducteurs de CdSe (sphères, bâtonnets). Pour cela, deux méthodes ont été mises en œuvre: la croissance épitaxiale directionnelle et le brossage mécanique. Les films de P3HT purs épitaxiés et brossés se différencient en termes de nanomorphologie, d’ordre cristallin et de structure. Les premiers présentent une morphologie lamellaire et une structure de fibre où les chaînes conjuguées sont alignées suivant l’axe de fibre. Les films brossés ne présentent pas de structure lamellaire et les domaines cristallins sont orientés préférentiellement «flat-on». Ces différences se reflètent dans les propriétés optiques des films épitaxiés et brossés. Le degré d’orientation des films brossés dépend fortement du poids moléculaire et une forte anisotropie du transport de charges a été observée. Les films hybrides épitaxiés sont nanostructurés avec localisation des nanocristaux dans les zones amorphes du P3HT. Par ailleurs, l’analyse par tomographie électronique de ces films montre une structure en bicouche avec une couche hybride surmontée d’une couche de P3HT pur. Les films hybrides brossés montrent clairement un alignement des nanobâtonnets de CdSe et des chaînes du P3HT parallèlement à l’axe du brossage. Les degrés d’orientation du P3HT et des nanobâtonnets sont corrélés et dépendent de la proportion en nanoparticules indiquant que c’est la matrice polymère qui induit l’orientation des nanobâtonnets.

The aim of this thesis was to elaborate and characterize hybrid oriented and nanostructured thin films composed of a semiconducting polymer, regioregular poly(3-hexylthiophène) (P3HT) and semiconducting CdSe nanocrystals (spheres, rods). Two orientation methods were used: directional epitaxial crystallization and mechanical rubbing. Epitaxied and rubbedfilms of pure P3HT show strong differences in terms of nanomorphology, crystalline order and structure. Epitaxied films possess a lamellar morphology, a 3D crystalline order and fiber symmetry where the P3HT backbones (cP3HT) are aligned along the fiber axis. Rubbed films do not show a lamellar morphology and have a 2D crystalline order with crystalline domains preferentially oriented “flat-on” relative to the substrate. These differences are reflected in the optical properties of the films. The orientation degree achieved in rubbed films strongly depends on the molecular weight of the polymer. There is also a strong anisotropy of the charge transport properties. Regarding hybrid epitaxied layers, we observed a nanostructuration with a localization of the CdSe nanocrystals into the amorphous zones of the P3HT. Moreover, electron tomography analysis shows that such films have a bilayer structure with a hybrid layer covered by pure P3HT. In rubbed hybrid films prepared with nanorods, the long axis of the nanorods as well as the P3HT backbone are oriented parallel tothe rubbing direction. The degree of in-plane orientation of the rods and of the P3HT matrix match closely and depend on the proportion of CdSe nanrods in the films. These results suggest that the P3HT matrix enforces the orientation of the rods.