Composants optoélectroniques organiques à base de « s-Tétrazine »

Sujets de thèse 2013

Intitulé de la thèse
Composants optoélectroniques organiques à base de « s-Tétrazine »
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Non connu à ce jour
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Physique
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
Laboratoire XLIM-MINACOM-OPTOPLAST, 123 av. Albert Thomas, 87060 LIMOGES
Laboratoire d’accueil : XLIM/MINACOM

Présentation de l’équipe de recherche
L’équipe Optoélectronique Plastique du Département MINACOM (Micro et Nanotechnologies pour les composants optoélectroniques et micro-ondes) d’XLIM est impliqué dans la recherche expérimentale et amont sur l’électronique organique, depuis la réalisation des dispositifs, leur caractérisation optoélectronique, jusqu’à la modélisation de leurs propriétés physiques. Les activités du groupe sont développées dans le cadre de collaborations locales, nationales et internationales, aussi bien avec des partenaires du monde académique que du tissu industriel régional et national. L’équipe est bien intégrée et identifiée dans les réseaux nationaux dédiés à l’optoélectronique organique, en particulier dans le domaine de la conversion photovoltaïque et de l’utilisation des faisceaux d’ions.

Résumé de la thèse en français
Les composants optoélectroniques organiques offrent une alternative à bas coût et réalisable, potentiellement, sur de grandes surfaces par rapport à l’électronique inorganique. Certains de ces composants tels que les diodes électroluminescentes (OLED) sont déjà commercialisés depuis plusieurs années. Parallèlement au marché des écrans (dominé par les entreprises asiatiques SAMSUNG, LG…), le marché de l’éclairage commence à se développer avec l’utilisation de systèmes OLED pour obtenir une lumière blanche. D’autres composants tels que les cellules photovoltaïques (OPV) ne sont pas encore commercialisés mais les nombreuses études en laboratoire ainsi que les travaux de nombreux groupes internationaux (Solvay, Merk, Arkema, Mitsubishi, Konarka, Heliatek …) montrent une potentialité très importante pour les prochaines années. L’objectif de la thèse sera d’étudier le potentiel de molécules de type « s-Tétrazine » pour réaliser différents composants optoélectroniques organiques (OLED, OPV, capteurs…).
Un des principal facteur limitant du développement de ces composants est leur durée de vie qui reste inférieure à celle des composants inorganiques. Le département MINACOM- OPTOPLAST a développé ces dernières années une technique de dépôt assistés par faisceaux d’ions qui permet d’améliorer la durée de vie des composants organiques. Simultanément aux recherches sur les composants à base de « s-Tétrazine », le second objectif de la thèse sera d’optimiser cette technique de dépôt pour la réalisation des électrodes des différents composants organiques.

Résumé de la thèse en anglais
Organic optoelectronic components offer a low-cost alternative and potentially feasible over large areas compared to inorganic components. Some of these components such as light emitting diodes (OLEDs) are already commercialized for several years. Parallel to the display market (dominated by Asian companies as Samsung or LG), the lighting market begins to develop with the use of systems for white OLED. Other components such as photovoltaic cells (OPV) are not yet on the market but many laboratory studies and the work of many international groups (Solvay, Merk, Arkema, Mitsubishi, Konarka, Heliatek …) show a very significant potential for the coming years. The aim of the thesis is to investigate the potential of « s-tetrazine » molecules to achieve various optoelectronic devices (WOLED, OPV, sensors …).
One of the main limiting factor in the development of these components is their lifetime lower than that of inorganic components. Recent years, MINACOM-OPTOPLAST Department has developed a deposition technique of materials that improves the lifetime of organic components. This technique uses an ion beam to assist the deposition. Simultaneously with researches about components based on « s-tetrazine », the second objective of the thesis is to optimize this deposition technique for the realization of the different electrodes for organic components.

Description complète du sujet de thèse
Issus d’une technologie récente, les composants optoélectroniques organiques sont utilisée pour la réalisation d’écrans de petite taille tels ceux des téléphones mobiles, des appareils numériques et des lecteurs mp3. Une autre utilisation de ces composants est liée à l’éclairage qui est basé sur l’utilisation de diodes électroluminescentes blanches. Le principe de fonctionnement des OLED permet de prévoir notamment une grande reproductibilité du « blanc » émis par chaque diode avec un Indice de Rendu des Couleurs proche de 100%. Il convient de souligner que cette thématique « éclairage » en est à ses débuts avec, pour l’instant, la présentation par certaines équipes de prototypes expérimentaux de lampes. Ces composants, tout comme les cellules photovoltaïques organiques destinées à concurrencer les cellules au Silicium, sont constitués de plusieurs films organiques pris en sandwich entre deux électrodes conductrices dont une est transparente aux longueurs d’ondes émises ou reçues. L’épaisseur totale d’un composant a conduit certaines équipes à travailler sur la réalisation de systèmes souples. Ces dernières pourrait s’avérer intéressantes, moyennant un procédé de fabrication pouvant être facilement adapté à la technologie de fabrication « Roll to Roll », ce qui constituerait un paramètre important en vue de la production de masse.
Le premier objectif de la thèse sera de réaliser et de caractériser une OLED blanche en utilisant des « s-Tétrazine » comme matériau émetteur. Ce sont des molécules organiques stables, fluorescentes à l’état solide et qui présentent un rendement quantique de 38% 1]. Le LPPSM (Laboratoir de PhotoPhysique et de Photochimie Supramoléculaire et Macromoléculaire), qui synthétise ces molécules, a récemment réalisé un dispositif électrofluorochrome avec un polymère incluant des Tétrazines [2]. Le potentiel de ces molécules semblent donc très important. Par la suite, la réalisation de cellules photovoltaïques organiques utilisant les « s-Tétrazine » sera faite. Ces différents composants seront réalisés sur des substrats rigides dans un premier temps puis ensuite sur des substrats souples.

Le laboratoire a développé ces dernières années une technique de dépôt assisté par faisceau d’ions (ou Ion Beam Assisted Deposition) qui améliore les durées de vies des composants organiques. Cette technique consiste à réaliser une des électrodes d’un composant par évaporation sous vide d’un matériau et, simultanément à la réalisation du dépôt, à soumettre le substrat à un faisceau d’ions qui va modifier les caractéristiques du dépôt. Généralement, le matériau utilisé est de l’aluminium et les travaux réalisées jusqu’à présent, au sein du département MINACOM, ont montré que cette technique permet de densifier la couche d’Aluminium afin de limiter les effets néfastes liés aux conditions atmosphériques (présence d’O2, de H2O) durant l’utilisation des composants. Cette technique de dépôt a notamment permis de multiplier la durée de vie des OLEDs par un facteur 10 [3]. Pour ces premiers travaux, les dépôts d’aluminium ont été réalisés avec une source à effusion. Celle-ci permet d’obtenir une bonne reproductibilité des résultats mais elle est fragile et onéreuse à l’utilisation, notamment en raison des écarts de coefficients de dilatation entre le contenant (un creuset en nitrure de bore) et le contenu (l’aluminium) qui peuvent provoquer le bris du creuset.
Une nouvelle enceinte a été récemment acquise par le laboratoire. Cette enceinte, intégrée dans une boite à gants, dispose d’un canon à électrons destiné à réaliser les dépôts d’aluminium et d’un canon à ions destiné à réaliser l’assistance. Le second objectif de la thèse consistera à optimiser la mise au point complète de cette technique de dépôt en utilisant différents ions (N+, Ar+, He+). Cette optimisation sera validée par la réalisation de composants organiques (OLEDs ou OPVs) utilisant des « s-Tétrazine ».

1] « New tetrazines functionalized with electrochemically and optically active groups: electrochemical and photoluminescence properties », Q. Zhou, P. Audebert, G. Clavier, R. Méallet-Renault, F. Miomandre, Z. Shaukat, T. T. Vu and J. Tang, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, p.21899.
2] http://www.ppsm.ens-cachan.fr/version-francaise/themes-de-recherche/s-tetrazines-synthese-de-nouveaux-derives-102665.kjsp?RH=1216194518915.
3]  » Enhanced electron injection and stability in organic light-emitting devices using an ion beam assisted cathode « , M.Chakaroun, R. Antony, A.P.A. Fischer, B. Ratier, A. Moliton, M.W. Lee et A. Boudria, Solid State Sciences, 2013, 15, p.84.

Objectifs scientifiques de la thèse
Les objectifs scientifiques de la thèse concernent deux points:
* le développement de nouveaux composants optoélectroniques organiques utilisant des matériaux à haut rendement quantique. En plus de la réalisation pratique des différents composants, une étude théorique des différents systèmes devra permettent de comprendre les différents mécanismes optoélectroniques mis en jeu dans ces composants.
* le développement d’une méthode de dépôt destinée à améliorer la durée de vie des composants organiques.

Compétences à l’issue de la thèse
A l’issue de la thèse, le doctorant sera familier avec les principales technologies d’élaboration des composants optoélectroniques organiques (procédés physiques et procédés en solution), ainsi qu’avec un ensemble complet de techniques de caractérisations physiques (mesures électriques, transport, AFM, RX…) et optoélectroniques (mesures de rendements, spectres de photoluminescence et d’électroluminescence, propriétés optiques). Le développement et l’optimisation des systèmes d’évaporation assistée par faisceaux d’ions permettra également au doctorant d’avoir des compétences dans les techniques du vide et des faisceaux d’ions.
Le travail en équipe avec d’autres doctorants du laboratoire (lors de la réalisation d’électrodes assistées notamment) mais également avec divers partenaires (équipe de Pierre Audebert, LPPSM, ainsi que des partenaires industriels) permettra de développer une méthodologie rigoureuse et adaptée à la gestion de projets.
Finalement, au travers la valorisation des résultats (publications dans des revues internationales et participation à des congrès nationaux et internationaux), l’étudiant possédera les qualités requises pour exploiter ses compétences aussi bien au niveau national qu’à l’étranger.

Mots clés (séparés par des virgules)
Diodes électroluminescentes, cellules photovoltaïques, dépôt sous vide, faisceau d’ions
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Expérience/profil souhaité(e)
Les candidats, d’un profil plutôt physicien, diplômés d’un master en relation avec les Nanosciences, les Nanotechnologies, ou l’optoélectronique en général. Des connaissances dans le domaine de la physique des semi-conducteurs, des faisceaux d’ions et des techniques du vide peuvent être un avantage. Le candidat devra savoir faire preuve d’autonomie et d’initiative.

Modalité de dépôt des candidatures
Modalités classiques décrites sur le site de l’école doctorale

Directeur de thèse
Rémi ANTONY
Adresse mail du directeur de thèse : [remi.antony@unilim.fr

Téléphone Directeur de thèse : 05 87 50 67 63

Co-directeur de thèse
Bruno LUCAS
Adresse mail du co-directeur de thèse : bruno.lucas@unilim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 05 87 50 67 42
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : NON

Recherche

Menu principal

Haut de page