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Elaboration et caractérisation des transistors hybrides à effet de champ en couches minces à base de p3ht / zno


par Mohamadou Ba
Université de Gabès - Mastère de recherche 2020
  

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N° Ordre :

<Section>-<N°>

République Tunisienne A. U. : 2019-2020

Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université de Gabès

Faculté des Sciences de Gabès

Mémoire

Pour l'obtention de

Mastère de recherche

Dans la Discipline

PHYSIQUE DES MATÉRIAUX ET DES NANOMATÉRIAUX

Sujet

Elaboration et caractérisation des transistors

hybrides à effet de champ en couches minces à base

de P3HT / ZnO

Présenté par :

Ba Mohamadou

Soutenu le 29/07/2020

Devant le jury composé de :

M. Lassad El MIR Président

M. Hassen DAHMAN Examinateur

M. Mohsen EROUEL Encadrant

Dédicace

A la mémoire de
Mon père Ba Demba Samba
Qui demeure pour moi un modèle d'intégrité et de rigueur.
Tu seras toujours dans mes prières.
Que la terre te soit légère.
Amine !

Du plus profond de mon coeur, je dédie ce modeste travail :

A ma chère mère Maïmouna Sy
Ton amour, ta tendresse et ta patience ne m'ont jamais fait défaut.
Tu as tout sacrifié n'épargnant ni ta santé, ni tes efforts pour faire de moi ce
que je suis. Que ce travail t'apporte le témoignage de ma profonde affection et
de mon attachement éternel. Puisse Dieu t'accorder longue vie pleine de
Bonheur et de bonne santé.

A mes grands frères et soeurs

Pour tous vos soutiens et conseils, vous êtes toujours là quand j'ai besoin quoi que

ce soit.

Je vous souhaite une vie pleine de bonheur.

REMERCIEMENT

Tout d'abord mes remerciements et louanges sont à Dieu pour m'avoir dirigé et bénie mes efforts.

Au terme de ce manuscrit, réalisé au sein du Laboratoire de Physique des Matériaux et des Nanomatériaux Appliquée à l'Environnement attaché à la Faculté des Sciences de Gabès, j'adresse mes vifs remerciements à Monsieur le Professeur Kamel KHIROUNI de m'avoir ouvert les portes et accueilli au sein du laboratoire.

Je tiens à remercier tous les membres du jury, particulièrement Monsieur le Professeur Lassad El MIR qui m'a fait l'honneur d'accepter de présider le jury du mémoire et monsieur Hassen BAHMAN qui ont accepté d'évaluer la qualité scientifique de ce travail.

Je suis profondément reconnaissant à mon encadrant Monsieur Mohsen EROUEL pour son encouragement, ses qualités d'écoute et de rigueur, son aide, sa compétence, ses conseils précieux qu'il m'a prodigué tout au long de ce travail et qui m'ont impressionné sur le plan humain et scientifique.

Je n'oublie pas de remercier Monsieur Chouiref Lofti, doctorant, pour son aide et son esprit d'équipe, et tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de ce travail.

Je ne saurai terminer sans exprimer ma profonde gratitude à ma famille qui n'a jamais cessé de me soutenir.

Sommaire

Introduction générale

..08

Chapitre I : Etude bibliographique

...10

I. Introduction

..11

II. Généralités sur les semi-conducteurs organiques

.11

II.1. Caractère semi-conducteur et structure électronique des polymères organiques ......12

II.2 Phénomènes de transport dans les semi-conducteurs organiques

14

II.2.1 Les porteurs de charges

14

II.2.2 Modèles de transport de charges

..15

II.2.2.1 Transport par bande

....16

II.2.2.2 Transport par saut

16

II.2.2.3 Transport limité par piégeage-dépiégeage multiple

17

III. Quelques propriétés optoélectroniques du P3HT et du ZnO

18

III.1. Généralités sur le P3HT

18

III.1.1 La synthèse du polymère P3HT

19

III.1.2 La régiorégularité

19

III.1.3 Effet de la nature des solvants sur la structure et la cristallinité du P3HT

21

III.1.4 Propriétés optiques

21

III.2. Généralité sur le ZnO

22

III.2.1 Propriétés structurales

22

III.2.2. Propriétés électriques des couches minces

23

III.2.3. Propriétés électroniques des bandes

24

III.2.4 Propriétés optiques des couches minces

25

IV. Généralités sur les transistors organiques à effet de champ 25

IV.1. Définition 26

IV.2. Les transistors à effet de champ 26

IV.3. Les transistors à effet de champ organiques en couches minces 26

IV.3.1 Structure des transistors organiques à effet de champ 27

IV.3.2 Différentes configurations des OFETs 27

IV.3.3 Principe de fonctionnement des OFETs 29

IV.3.3.1 Différents régimes de fonctionnement 30

IV.3.4 Caractéristiques électriques des OFETs 32

IV.3.4.1 Courbes caractéristiques 32

IV.3.4.2 Paramètres caractéristiques 34

V.4 Conclusion 35

Références bibliographiques 36

Chapitre II : Procédure expérimentale 37

I. Introduction 38

II. Elaboration des couches minces : P3HT et ZnO 38

II.1 Le procédé sol-gel 38

II.2 Protocole et conditions expérimentales 41

II.3 Technique de dépôt des couches minces par spin coating 42

II.3.1. Principe 42

II.3.2. Modes de dépôt des solutions 43

II.3.3. Mise en oeuvre 44

III. Caractérisation structurale et morphologique 46

III.1 Analyse par diffraction des rayons X (DRX) 46

III.2. Microscope électronique à transmission (MET) 47

III.3. Microscope électronique à balayage (MEB) 48

IV. Caractérisation optique des couches 50

IV.1. La spectroscopie UV- Visible- NIR 50

V. Réalisation des OFETs 52

VI. Caractérisation électrique des transistors 54

VII. Conclusion 54

Références bibliographiques 55

Chapitre III : Résultats et discussion 56

I. Introduction .57

II. Propriétés structurale et morphologique de ZnO 57

II.1 Analyse par DRX 57

II.2 Morphologie des échantillons 59

III. Propriétés optiques 61

III.1 Propriétés optiques des nanoparticules de ZnO 61

III.1.1 Spectre d'absorbance et de réflectance de ZnO 61

III.1.2 Détermination du gap 62

III.2 Spectres d'absorbance et de transmittance de couches minces de P3HT / ZnO 63

III.3. Détermination de la largeur de la bande interdite 65

IV. Caractérisation électrique des OFETs à base du composite P3HT/ZnO 68

IV.1 Caractéristiques de sortie et de transfert des OFETs 68

IV.1.1 Caractéristiques de sortie 68

IV.1.2 Caractéristiques de transfert 72

IV.1.3 Paramètres caractéristiques des OFETs 75

V. Conclusion 77

Références bibliographiques 78

Conclusion générale 80

Résumé 81

Introduction générale

8

L'électronique organique repose essentiellement sur trois composants à savoir les diodes électroluminescentes organiques (OLED), les cellules solaires organiques (OPV) et les transistors organiques à effet de champ (OFET). Un des composants élémentaires attirant le plus d'attention dans ce domaine de recherche est le transistor, il constitue l'élément clé de la recherche dans le domaine de la microélectronique. Les transistors à effet de champ organiques (Organic Field Effect Transistors, OFET) trouvent leur champ d'application dans les circuits d'adressage d'écrans plats, les étiquettes intelligentes RFID, les capteurs de gaz et d'arôme et les biocapteurs.

Depuis la réalisation des premiers transistors organiques, de nombreux progrès ont été réalisés tant du point de vue des performances électriques que de la fiabilité. Ces progrès ont été possible grâce la synthèse de nouveaux semi-conducteurs organiques (SCOs) stables et performant en termes de mobilité. Ce qui permet aujourd'hui de concurrencer les composants en silicium amorphe. Toutefois, l'amélioration des performances électriques de ces matériaux SCO ne s'explique pas seulement par les progrès effectués mais aussi par la compréhension des mécanismes régissant le transport de charges dans ces matériaux organiques. La clé de la conductivité de ces matériaux réside dans la présence de liaisons double conjuguées (une succession de liaisons simples et doubles) le long de la chaîne du polymère. Toutefois, cette structure conjuguée n'est pas suffisante pour rendre un polymère conducteur : il est donc nécessaire d'introduire des porteurs de charge sous la forme d'électrons ou de trous ou d'incorporer des nanoparticules inorganiques au sein du matériau.

Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit constituent une contribution dans l'étude des transistors organiques à effet de champ à base de matériaux organiques/inorganiques.

Le manuscrit est reparti en trois chapitres :

Le premier chapitre est dédié à décrire quelques généralités sur les polymères semi-conducteurs. Dans un premier temps, nous rappelons leur propriétés structurales et électroniques. Ensuite nous présentons les différents phénomènes de transport de charges qui règnent dans ces polymères, nous rappelons quelques propriétés optoélectroniques de P3HT et de ZnO. Dans dernière partie, nous faisons une étude générale sur les transistors en expliquant tout d'abord la différence entre les transistors bipolaire et à effet de champ. Une étude détaillée est consacrée aux transistors

9

organiques à effet de champ en couches minces pour décrire leurs modes de fonctionnement et leurs caractéristiques électriques. Puis nous expliquons comment déterminer les paramètres clé de ces transistors.

Le deuxième chapitre s'intéresse aux différentes procédures expérimentales nécessaires à la réalisation et aux caractérisations des films minces. Dans ce chapitre, nous présenterons le protocole expérimental mis en place pour la réalisation d'un transistor organique.

Le troisième chapitre, consacré à la discussion des résultats obtenus, présente les résultats des caractérisations effectuées sur les composants réalisés à base de P3HT/ZnO. Premièrement nous discutons les propriétés structurales et morphologiques des nanoparticules de ZnO et les propriétés optiques des couches minces de P3HT/ZnO. A la fin, on procède à l'exploitation des caractéristiques électriques mesurées, en déterminant les paramètres clés du transistor à effet de champ organique en couches minces à base d'un mélange de P3HT/ZnO et de P3HT dans le régime

saturé, tels que la mobilité à effet de champ u, la tension de seuil VS et la pente sous-seuil SS.

Nous terminons ce manuscrit par une conclusion générale où sont résumés les principaux résultats de cette étude et quelques perspectives.

10

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La Quadrature du Net