Comprendre les mécanismes de dopage dans les semi-conducteurs organiques

par Massimiliano Comin

Projet de thèse en Physique Théorique

Sous la direction de Xavier Blase et de Gabriele D'avino.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Physique , en partenariat avec Institut Néel (laboratoire) et de Matière Condensée, Matériaux et Fonctions (equipe de recherche) depuis le 12-12-2018 .


  • Résumé

    La possibilité de modifier les propriétés de conduction de matériaux par dopage constitue un des piliers de l'industrie des semi-conducteurs. Alors que les mécanismes physiques associés sont aujourd'hui bien compris pour les semi-conducteurs inorganiques, il n'en va pas de même pour leurs analogues organiques. La compréhension des processus d'ionisation des dopants dans ces matériaux constitue non seulement une question d'ordre fondamentale à l'interface entre physique et chimie, mais conditionne également fortement les performances des dispositifs organiques utilisés pour le photovoltaïque, l'électronique souple, ou les écrans plats (OLEDS). Le projet consiste donc à comprendre par des approches théoriques et numériques les paramètres et mécanismes permettant de comprendre l'augmentation de la conductance des semi-conducteurs organiques dopés. Il utilisera une approche multi-échelles partant des approches ab initio afin de paramétrer un Hamiltonian à N-corps pour l'étude de dopants multiples corrélés dans la matrice organique. Le doctorant bénéficiera des progrès récents accomplis dans l'équipe concernant le développement d'approches ab initio pionnières permettant la modélisation quantique de systèmes complexes dans un environnement électrostatique et diélectrique réaliste ayant ouvert la voie à une première étude des mécanismes de dopage dans la limite du dopant unique. En pratique, le candidat s'initiera aux techniques de pointe dans le domaine des simulations quantiques ab initio (approches de type fonctions de Green 'environnées' pour les théories de perturbation à N-corps) et utilisera les résultats de ces calculs précis pour paramétrer un Hamiltonian modèle permettant de comprendre la génération de porteurs libres dans le cas réaliste d'une grande concentration de dopants dans une matrice organique. Il s'agira en particulier de comprendre l'augmentation sur plusieurs ordres de grandeur de la conductance dans des semi-conducteurs organiques, afin de mettre en lumière le rôle de l'écrantage dynamique et du désordre électrostatique, permettant potentiellement de faire le lien avec la physique de la transition métal-isolant dans d'autres systèmes.

  • Titre traduit

    Doping of molecular semiconductors and the insulator-to-metal transition


  • Résumé

    The capability of altering the conducting properties of materials via doping is at the cornerstone of semiconductor electronics as we know it today. While the basic processes at work in standard inorganic semiconductors are by now well known, the same is not true for the broad class of organic molecular semiconductors. Understanding doping in these materials is not only a key fundamental question at the interface between chemistry and physics, but is also strongly motivated by the increasing use of organic semiconductors in a number of applications such as photovoltaics, flexible electronics or flat panel displays. This PhD project addresses the fundamental mechanisms of molecular doping in organic semiconductors. This will be tackled by combining first-principle approaches, that are crucial at the molecular level, with a full many-body treatment of Coulomb interaction effects, as required at the high dopant concentrations relevant to experiments and applications. The PhD project will rely on recent breakthroughs accomplished by the host team concerning methodological developments for the quantum modelling of complex systems in a proper complex electrostatic and dielectric 'bath' with application to the case of isolated dopants in organic matrices. In practice, the candidate will pursue fundamental investigations on correlated electron models that will be carefully parametrized on the systems of interest using state-of-the-art ab initio techniques (Green's function many-body formalisms), thereby following an original and insightful multiscale modeling strategy. The proposed research will address the orders of magnitude increase of the electrical conductivity upon doping, unraveling the role of dynamical screening and electrostatic disorder and highlighting possible analogies with insulator-to-metal transitions observed in other materials.