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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
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Introduction générale
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..08
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Chapitre I : Etude bibliographique
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...10
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I. Introduction
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..11
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II. Généralités sur les
semi-conducteurs organiques
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.11
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II.1. Caractère semi-conducteur et structure
électronique des polymères organiques ......12
|
II.2 Phénomènes de transport dans les
semi-conducteurs organiques
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14
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II.2.1 Les porteurs de charges
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14
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II.2.2 Modèles de transport de charges
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..15
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II.2.2.1 Transport par bande
|
....16
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II.2.2.2 Transport par saut
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16
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II.2.2.3 Transport limité par
piégeage-dépiégeage multiple
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17
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III. Quelques propriétés
optoélectroniques du P3HT et du ZnO
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18
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III.1. Généralités sur le P3HT
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18
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III.1.1 La synthèse du polymère P3HT
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19
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III.1.2 La régiorégularité
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19
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III.1.3 Effet de la nature des solvants sur la structure
et la cristallinité du P3HT
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21
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III.1.4 Propriétés optiques
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21
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III.2. Généralité sur le ZnO
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22
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III.2.1 Propriétés structurales
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22
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III.2.2. Propriétés électriques des
couches minces
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23
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III.2.3. Propriétés électroniques
des bandes
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24
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III.2.4 Propriétés optiques des couches
minces
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25
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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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