Spectroscopie linéaire et non-linéaire de polymères conducteurs dans le domaine térahertz

Linear and non-linear spectroscopy of conducting polymers in the terahertz domain

• Auteur / Autrice : Frédéric Dutin
• Direction : Jérôme Degert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 04/03/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Abraham
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Degert, Emmanuel Abraham, Jean-François Roux, Frédéric Teppe, Jean-François Lampin, Éric Freysz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Roux, Frédéric Teppe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conducteurs organiques

Spectroscopie terahertz

Polarons

Mots clés libres

Spectroscopie THz-TDS

Spectroscopie pompe optique-Sonde THz

Polymères conducteurs

Polarons

Modèle de Drude-Smith

Modèle de Dyre

THz-TDS spectroscopy

Optical pump-THz probe spectroscopy

Conducting polymers

Polarons

Drude-Smith model

Dyre model

Résumé

Ces travaux de thèse portent sur l'étude des mécanismes de transport de charges au sein des polymères conducteurs PEDOT/PSS et PEDOT/PSTFSIK dans le domaine térahertz (THz). Ces polymères conducteurs viennent du LCPO.En premier lieu, nous avons étudié les propriétés intrinsèques de ces matériaux dans le domaine THz à partir d'une expérience de spectroscopie THz-TDS. Ceci a permis d'une part de montrer que la transmission des deux polymères est quasi-constante sur la plage de fréquences considérées et d'autre part que la conductivité intrinsèque du PEDOT/PSS est plus importante que celle du PEDOT/PSTFSIK. Ce dernier résultat a été obtenu en ajustant les données de conductivité par deux modèles de conduction bien distincts. Le premier est le modèle de Drude-Smith qui étend le modèle de Drude par l'ajout d'un coefficient de piégeage, il ne possède que peu de paramètres ajustables. Le second, le modèle de Dyre, permet de prendre en compte la structure en grains des polymères conducteurs. Il possède néanmoins un grand nombre de paramètres ajustables. Les mesures de conductivité en régime continu obtenues à partir des modèles sont en accord avec les mesures effectuées au LCPO.Nous avons ensuite caractérisé le comportement des polymères conducteurs PEDOT/PSS et PEDOT/PSTFSIK soumis à une impulsion femtoseconde centrée dans la bande bipolaronique de ces matériaux en plus de l'impulsion THz déjà présente. En utilisant les modèles de Drude-Smith et de Dyre, nous avons pu étudier le changement de conductivité induit par l'impulsion femtoseconde dans le domaine THz en supposant que les paramètres ajustables des modèles dépendent maintenant du délai entre l'impulsion femtoseconde et l'impulsion THz.Finalement, en étudiant les réponses du PEDOT/PSS et du PEDOT/PSTFSIK pour différentes intensités de pompe dans le cadre d'une expérience tout-optique où à on a pompé dans la bande bipolaronique et où on a sondé dans la bande polaronique des polymères conducteurs, on a pu échafauder un scénario plausible pour l'impact de la pompe optique dans ces matériaux.

This thesis project aims to study transport mechanisms in conducting polymers PEDOT/PSS and PEDOT/PSTFSIK in the terahertz (THz) domain. These two polymers come from LCPO laboratory.First of all, we studied intrinsics properties of these materials in the THz domain with a THz-TDS experiment. This drove us to show that their transmission is quasi-constant in the THz domain and that the intrinsic conductivity is larger for PEDOT/PSS than PEDOT/PSTFSIK. This last result has been obtained by using two differents fitting models of conduction. The first model, so-called Drude-Smith model, extend the Drude model by adding a trap parameter. It also possess only few fitting parameters. The second one, the Dyre model, take into account of the grain structure of polymers. Nevertheless, it has several fitting parameters. We obtained a direct current conductivity of polymers that is in excellent agreement with LCPO measurements.Among these, we caracterized the behavior of PEDOT/PSS and PEDOT/PSTFSIK under a femtosecond pulse centered in the bipolaronic band. We also have the THz pulse. By using Drude-Smith and Dyre models, we were able to study the change of conductivity induced by the femtosecond pulse in the THz domain. In this case, we supposed that fitting parameters have to be a function of the delay between the femtosecond pulse and the THz pulse.Finally, by studying PEDOT/PSS and PEDOT/PSTFSIK responses for differents pump intensity in a full optic experiment, where we pumped on the bipolaronic band and probed on the polaronic band, we were be able to give a possible scenario for the impact of the optical pump in these materials.