Apport des nanofils dans la réalisation d’électrodes transparentes performantes

Sujets de thèse 2014

Intitulé de la thèse
Apport des nanofils dans la réalisation d’électrodes transparentes performantes
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Financement institutionnel, Contrat Doctoral, Financement régional, Contrats université sur projets,)
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Physique
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
Faculté des Sciences et techniques Limoges / XLIM
Laboratoire d’accueil : XLIM/MINACOM

Présentation de l’équipe de recherche
Le projet Optoélectronique Plastique 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. Le domaine de l’électronique organique comprend diverses technologies faisant intervenir des dispositifs de base: – Diodes électroluminescentes dans le domaine des écrans plats et de l’éclairage basse consommation – Transistors à effet de champs dans les circuits logique –mémoire (RFID) – Cellules solaires pour alimenter des appareils nomades ou pour usage domestique non connecté au réseau 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.

Résumé de la thèse en français
L’électrode transparente (ET) la plus utilisée aujourd’hui est l’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO). Cependant, elle présente d’importantes limitations qui en font un mauvais matériau pour les substrats flexibles. L’équipe Optoélectronique Plastique d’XLIM/MINACOM montre une forte expertise dans le développement de technologies de dépôts d’ET, notamment à partir de structures tri-couches ZnO/Ag/ZnO 1, 2], et de cellule solaire organique et hybride. Néanmoins, certaines limitations (largeur du domaine de transmission faible) conduisent à remplacer la couche mince d’argent par des nanofils métalliques (Ag, Cu) permettant d’obtenir des transmissions optiques élevées sur une large gamme spectrale. L’objectif de cette thèse est l’étude du comportement optique et électrique de nanofils lorsqu’ils sont utilisés comme électrodes transparentes. Pour cela, l’étudiant aura à modéliser optiquement ces dispositifs en utilisant un logiciel disponible au laboratoire. Les électrodes seront ensuite réalisées expérimentalement et leurs transmissions, conductivités et rugosités seront caractérisées. Les nanofils seront réalisés par croissance vapeur-liquide-solide. Les électrodes seront ensuite intégrées expérimentalement dans un dispositif photovoltaïque organique ou hybride. [1] A. El Hajj, B. Lucas, M.Chakaroun, R. Antony, B. Ratier, M.Aldissi, Thin Solid Films 2012, 520, 4666. [2] S. Vedraine, A. El Hajj, P. Torchio, B. Lucas, Organic Electronics 2013, 14, 1122.

Résumé de la thèse en anglais
The objective of this PhD is to investigate the benefits of nanowires for transparent electrodes. Nowadays, the transparent electrode (TE) mostly used is the indium tin oxide (ITO). Nevertheless, ITO shows many limitations such as its cost, its bad mechanical properties and its deposition using high-temperature process (limiting its application on flexible substrates). The Optoélectronique Plastique team of XLIM/MINACOM has a huge experience in the realization of TE, especially on oxide/metal/oxide multilayer TE such as ZnO/Ag/ZnO [1, 2], and in the realization of organic/hybrid solar cells. However, multilayer TE presents a limited transmission which leads to replace the metallic layer with metallic nanowires (MW). MW allows improving the transmission of the electrode on a broad spectrum. The utilization of nanowires as electrode requires a low rugosity. In order to reduce this rugosity, the nanowires will be integrated inside a layer of DMSO-doped PEDOT:PSS, or of oxide. These layers are transparent and conductive. During this PhD, the student will model a transparent electrode integrating metallic nanowires. These optical calculations allow to optimize the optical transmission by investigating the influence of opto-geometrical parameters. A commercial software (Lumerical FDTD solution ©) will be used in order to solve Maxwell equations using a Finite-Difference Time-Domain method. The TE will be realized experimentally and its conductivity/rugosity will be characterized. MW will be made using a vapor-liquid-solid growing. Then, the electrode will be integrated in organic or hybrid solar cells. [1] A. El Hajj, B. Lucas, M.Chakaroun, R. Antony, B. Ratier, M.Aldissi, Thin Solid Films 2012, 520, 4666. [2] S. Vedraine, A. El Hajj, P. Torchio, B. Lucas, Organic Electronics 2013, 14, 1122.

Description complète du sujet de thèse
L’objectif de cette thèse est l’étude de nanofils appliqués aux électrodes transparentes. L’électrode transparente (ET) la plus utilisée aujourd’hui est l’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO). Cependant, elle présente d’importantes limitations: coût élevé, mauvaises propriétés mécaniques et procédé d’élaboration haute température qui en font un mauvais matériau pour les substrats flexibles. L’équipe Optoélectronique Plastique d’XLIM/MINACOM montre une forte expertise dans le développement de technologies de dépôts d’ET, notamment à partir de structures tri-couches ZnO/Ag/ZnO [1, 2], et de cellule solaire organique et hybride. Néanmoins, certaines limitations (largeur du domaine de transmission faible) conduisent à remplacer la couche mince d’argent par des nanofils métalliques (Ag, Cu) permettant d’obtenir des transmissions optiques élevées sur une large gamme spectrale. L’un des verrous à contourner concerne la maîtrise des rugosités de surface obtenue. Afin de diminuer les rugosités de surfaces, les nanofils métalliques seront insérés dans une matrice de PEDOT:PSS dopée au DMSO, ou un oxyde. Ces matrices possèdent les caractéristiques de pouvoir être conductrices et transparentes. Lors de cette thèse, l’étudiant sera amené à modéliser une électrode transparente comportant des nanofils métalliques. Ces modélisations optiques permettront d’obtenir les paramètres géométriques amenant une transmission optimale. Nous utiliserons pour cela un logiciel commercial résolvant les équations de maxwell via une méthode de calcul des différences finies dans le domaine temporel. Les électrodes seront alors réalisées afin de vérifier leurs bonnes conductivités et rugosités. Pour cela, les nanofils seront réalisés par croissance vapeur-liquide-solide en utilisant un dispositif dont l’équipe vient de s’équiper. Les électrodes seront ensuite intégrées expérimentalement dans un dispositif photovoltaïque organique ou hybride. [1] A. El Hajj, B. Lucas, M.Chakaroun, R. Antony, B. Ratier, M.Aldissi, Thin Solid Films 2012, 520, 4666. [2] S. Vedraine, A. El Hajj, P. Torchio, B. Lucas, Organic Electronics 2013, 14, 1122.

Objectifs scientifiques de la thèse
Les objectifs scientifiques de cette thèse sont les suivants: – la modélisation de composant intégrant des nanofils – la réalisation d’électrode transparente performante

Compétences à l’issue de la thèse
Le candidat aura l’opportunité d’évoluer en abordant aussi bien des concepts théoriques que pratiques. Ainsi, un spectre très large de compétences pourra être acquis à la fin de la thèse dont les principales seront: – la gestion d’un logiciel de modélisation optique commercial (Lumerical FDTD Solution ©) – la fabrication de nanofils par une méthode de VLS (croissance vapeur-liquide-solide) – la fabrication d’électrodes transparentes et de cellules solaires organiques et inorganique (évaporation thermique sous vide, travail en boîte à gant) – la caractérisation optique (spectre UV-Visible), électrique (mesure de conductivité, mesure courant-tension, réponse spectrale) et morphologique (profilomètre, microscope à force atomique) de dispositifs – Plus généralement des compétences en modélisation, technologie et caractérisations dans le domaine de l’électronique organique et des couches minces.

Mots clés (séparés par des virgules)
nanofils, cellule solaire, électrode transparente, modélisation
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Expérience/profil souhaité(e)
Le candidat devra avoir un profil physique ou optique. Des connaissances dans les matériaux organiques sont préférables. Une bonne connaissance en anglais est également souhaitée.

Directeur de thèse
Bruno Lucas

Adresse mail du directeur de thèse : [bruno.lucas@xlim.fr
Téléphone Directeur de thèse : 05 87 50 67 42

Co-directeur de thèse
Sylvain Vedraine
Adresse mail du co-directeur de thèse : sylvain.vedraine@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 05 87 50 67 45
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : NON

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