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Publié par | Thesee |
Nombre de lectures | 109 |
Langue | Français |
Poids de l'ouvrage | 7 Mo |
Extrait
UNIVERSITE DE LA MEDITERRANEE
AIX-MARSEILLE II
Ecole doctorale de physique et sciences de la matière
THESE
Présentée pour l’obtention du grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE LA MEDITERRANEE
Spécialité: Physique
Impression par laser (LIFT) de transistors
organiques en films minces
Ludovic RAPP
Mémoire provisoire
Prof. Maria Dinescu, Université de Bucarest, Rapporteur
Dr. Kamal Lmimouni, Université de Lille, Rapporteur
Dr. Pere Serra, Université de Barcelone, Examinateur
Prof. Frédéric Fages, Université de la Méditerranée,
Dr. Philippe Delaporte, Université de la Méditerranée, Directeur de thèse
Dr. Anne Patricia Alloncle, Université de la Méditerranée, Co-directrice de thèseRésumé
L’utilisation de composés organiques comme matériaux actifs représente la prochaine
génération technologique. Ils permettent notamment un procédé de fabrication moins cher,
de grands rendements de production ainsi que la capacité d’employer des supports souples.
Ce travail présente le développement d’une technique de transfert reposant sur l’ablation
laser pour le dépôt fonctionnel de films minces localisé de matériaux organiques et inor-
ganiques en phase liquide ou solide dans le but de fabriquer des transistors à films minces
organiques (OTFT).
La technique de dépôt est basée sur le LIFT (laser-induced forward transfer), dont
le principe de fonctionnement implique que le matériau à transférer soit préalablement
préparé sur un substrat transparent. Le matériau est irradié à travers ce dernier par une
impulsion laser, déclenchant l’ablation et l’éjection de la matière du substrat. Le matériau
éjecté est alors recueilli sur un substrat récepteur placé devant le film donneur. Par cette
méthode, des structures précisément définies par la forme du faisceau laser peuvent être
transférées.
L’irradiation directe de la matière à transférer n’est pas admissible pour les composés
sensibles, par conséquent, une modification de la technique a été introduite pour résoudre
cette limitation. Cette modification implique l’utilisation d’une couche sacrificielle, qui est
spécialement adaptée pour l’ablation laser dans l’ultraviolet. Cette couche sacrificielle est
déposée entre le substrat et le matériel à transférer, son but est d’absorber l’impulsion
laser, de se décomposer et de propulser le matériau sur le substrat receveur tout en le
protégeant de l’irradiation laser. Des matériaux métalliques et un matériau organique, le
polymère triazene, ont été étudiés.
Le processus de transfert a été étudié par ombroscopie résolue en temps. L’analyse
de la trajectoire du matériel éjecté ainsi que de l’onde de choc créée par l’ablation a été
effectuée. Ces mesures nous ont permis de déterminer les conditions de transfert optimales
pourchacundesmatériauxétudiésetontmontréquelaconditionlaplusfavorablepourun
transfert réussi est le proche contact dans le cas des matériaux en phase solide et quelques
centaines de micromètres pour les matériaux en phase liquide.
Enfin, la fabrication de transistors organiques opérationnels dans différentes configu-
rations (bottom et top gate en configuration bottom et top contact) est démontrée. Les
structuresimpriméesprouventlacapacitédelatechniqueLIFTàtransférerdifférentstypes
de matériaux en maintenant leurs propriétés à un niveau significatif de performance. Le
transfert d’un ensemble multicouche OTFT est étudié. Les pixels transférés sont entière-
ment fonctionnels et présentent des propriétés compétitives à des dispositifs préparés par
des techniques classiques.
iiiivAbstract
The use of organic compounds as active materials represents the next generation of
technology, enabling cheaper manufacturing process, high production and ability to use
flexible substrates. This work presents the development of a transfer technique based on
laser ablation for the deposition of functional thin film of organic and inorganic materials,
in liquid or solid phase, in order to achieve organic thin film transistors (OTFT).
The deposition technique is based on the LIFT (laser-induced forward transfer), whose
workingprincipleinvolvesatransparentsubstratecoatedwiththematerialtotransfer.The
material is irradiated through the substrate by a laser pulse, which triggers the removal
and ejection of the material from the substrate. The ejected material is then collected on a
substrate receiver placed in front the donor film. By this method, precise patterns defined
by the shape of the laser beam can be transferred.
Direct irradiation of the transfer material is not admissible for sensitive compounds,
therefore a modification of the technique was introduced to solve this limitation. The mo-
dification involves the use of a sacrificial layer, which is specially adapted for laser ablation
in the ultraviolet. This sacrificial layer is deposited between the substrate and the material
to transfer, its purpose is to absorb the laser pulse, decomposes and propel the material
ontothereceiversubstratewhileprotectingitfromlaserirradiation.Metalsandanorganic
material, the triazene polymer, is studied.
The transfer process has been studied by time-resolved shadowgraphic imaging tech-
nique. The trajectory analysis of the ejected material and of the shock wave created by
the ablation has been performed. These measures have enabled to determine the optimal
transfer conditions for each studied materials and have shown that the most favorable
condition for successful transfer is the close contact, in the case of materials solid phase,
and few hundred micrometers for materials liquid phase.
Finally, the fabrication of operating organic transistors in different configurations (bot-
tom and top gate in bottom and top contact architectures) is demonstrated. The printed
structures reveals the ability of the LIFT technique to transfer different kinds of materials
maintaining their properties at a significant level of performance. The transfer of a multi-
layer system is also studied. Transferred pixels are fully functional and exhibit competitive
properties face devices prepared by conventional techniques.
vviTable des matières
Introduction 1
1 Electronique organique 7
1.1 Les matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.1 Le caractère semi-conducteur des matériaux organiques . . . . . . . 9
1.1.2 Introduction de charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.3 Organisation des molécules dans le film fin organique . . . . . . . . . 11
1.1.4 Le transport des charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.4.1 Le transport par bande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.4.2 Leort par saut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.4.3 Le transport par piégeage-dépiégeage . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Les transistors organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.1 Fonctionnement du transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.2 Extraction des paramètres électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.2.1 La mobilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.2.2 La tension de seuil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.2.3 Le rapport On/Off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.2.4 La pente sous seuil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.3 Effet de l’atmosphère ambiante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.4 Les différentes architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.4.1 Les transistors de type "bottom gate" . . . . . . . . . . . . 23
1.2.4.2 Les de type "top gate" . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3 Autres composants organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.1 Les diodes organiques électroluminescentes . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.2 Les cellules solaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.3 Les micro-batteries organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2 L’impression laser 29
2.1 Micro-fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.1.1 Exigences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.2 Techniques conventionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.3 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .