1. 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
Soutenu le 12 novembre 2010 à Marseille devant le jury composé de
Prof. Frédéric Fages, Université de la Méditerranée, Président
Prof. Maria Dinescu, Université de Bucarest, Rapporteur
Dr. Kamal Lmimouni, Université de Lille, Rapporteur
Dr. Pere Serra, Université de Barcelone, Examinateur
Dr. Philippe Delaporte, Université de la Méditerranée, Directeur de thèse
Dr. Anne Patricia Alloncle, Université de la Méditerranée, Co-directrice de thèse

3. Résumé
L’utilisation de composés organiques comme matériaux actifs représente la prochaine géné-
ration 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 pré-
sente le développement d’une technique de transfert reposant sur l’ablation laser pour le dépôt
fonctionnel de films minces localisé de matériaux organiques et inorganiques 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 prin-
cipe 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, dé-
clenchant 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 préci-
sément 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 sen-
sibles, 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 spéciale-
ment 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 pour chacun des
matériaux étudiés et ont montré que la condition la plus favorable pour un 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 architectures
(bottom et top gate en configuration bottom et top contact) est démontrée. Les structures
imprimées prouvent la capacité de la technique LIFT à transférer différents types 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 entièrement fonctionnels et présentent
des propriétés compétitives aux dispositifs préparés par des techniques classiques.
iii

5. Abstract
The use of organic compounds as active materials represents the next generation of techno-
logy, enabling cheaper manufacturing process, high production and ability to use flexible sub-
strates. 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 wor-
king principle involves a transparent substrate coated with the material to transfer. 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 modification 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, to decompose and to propel the material onto the receiver substrate
while protecting it from laser irradiation. Metals and an organic material, the triazene polymer,
are studied.
The transfer process has been studied by time-resolved shadowgraphic imaging technique.
The trajectory analysis of the ejected material and of the shock wave created by the ablation
has been performed. These measurements have enabled to determine the optimal transfer condi-
tions 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 (bottom
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 multilayer system is also
studied. Transferred pixels are fully functional and exhibit competitive properties face devices
prepared by conventional techniques.
v

7. Remerciements
J’aimerais exprimer ma gratitude à toutes les personnes qui ont rendu ce travail possible :
Dr. Philippe Delaporte et Dr. Anne Patricia Alloncle, pour la grande confiance et le soutien
qu’ils m’ont accordé tout au long de ses trois années, pour leur disponibilité, leur aide et leur
enseignement, ainsi que pour tous les bons moments partagés,
Dr. Marc Sentis pour m’avoir accueilli dans son laboratoire,
Prof. Frédéric Fagès, du Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (Marseille, France),
pour sa confiance, son aide et pour avoir accepté de présider mon jury de soutenance,
Dr. Christine Videlot-Ackermann, du Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (Mar-
seille, France), pour son aide et sa disponibilité tout au long de ma thèse, pour toutes nos dis-
cussions et la confiance qu’elle m’a accordée,
Dr. Adbou Karim Diallo, qui a partagé ma thèse lors de son post-doctorat au CINaM, pour
avoir partagé son savoir sur les transistors organiques, pour avoir permis à cette thèse d’aboutir
à leur fabrication, pour tout son temps passé à les caractériser ainsi que pour sa grande sympa-
thie et sa constante bonne humeur,
Sébastien Nénon, doctorant au CINaM, pour tous les moments que nous avons partagés lors
de nos thèses, pour toutes ses explications sur les caractérisations des transistors organiques et
la préparation des films minces, pour son aide et surtout pour tous les échantillons qu’il m’a
préparés et caractérisés,
Laurent Charmasson, pour avoir su créer avec habileté et précision tous les éléments dont j’ai
eu besoin lors de mes montages, pour m’avoir fait partager sa passion de la plongée et pour sa
bonne humeur quotidienne,
Dr. Romain Fardel, ex-doctorant PSI - EMPA, pour son aide précieuse lors du montage de
l’expérience de visualisation par ombroscopie et pour les bons moments partagés (particulière-
ment aux conférences EMRS),
Dr. Thomas Lippert, du Paul Scherrer Institut (Villigen, Suisse), pour son aide, sa disponi-
bilité et sa grande sympathie,
Dr. Matthias Nagel, de l’EMPA (Duebendorf, Suisse), pour les échantillons de triazene ainsi
que pour nos nombreuses et pertinentes discussions,
Dr. Christophe Cibert pour avoir partagé une partie de ma thèse lors de son post-doctorat
au LP3,
vii

8. Remerciements viii
Dr. Antonio Pereira, du Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents (Lyon,
France), pour la préparation des échantillons multicouches par PLD,
Julie Ailuno, stagiaire et à présent doctorante au LP3, pour son énorme soutien et sa dispo-
nibilité lors de la fin de cette thèse ainsi que pour ses minutieuses relectures de ce manuscrit,
Céline Bonin, pour les bons moments lors de son stage au LP3,
Prof. Maria Dinescu, du National Institute for Lasers, Plasma and Radiation Physics (Buca-
rest, Roumanie), et Dr. Kamal Lmimouni, de l’Institut d’Electronique et de Microélectronique
et de Nanotechnologie (Lille, France), d’avoir accepté d’être rapporteurs de cette thèse, pour le
temps qu’ils m’ont consacré et avec qui j’ai eu des discussions scientifiques intéressantes,
Dr. Pere Serra, du Department of Applied Physics and Optics (Barcelone, Espagne), pour avoir
accepté d’examiner mon travail, pour sa sympathie et nos nombreuses discussions,
Dr. Alberto Piqué et son équipe, du Naval Research Laboratory (Washington, USA), pour l’op-
portunité qu’ils m’ont donnée de visiter leur laboratoire et pour leur aimable accueil,
Dr. Ioanna Zergioti, du National Technical University of Athens (Athènes, Grèce), pour l’op-
portunité qu’elle m’a donnée de visiter son laboratoire ainsi que Christos Boutopoulos et Marina
Makrygianni, doctorants, pour les bons moments passés ensembles,
Dr. Serge Nietsche et Dr. Damien Chaudanson, du Centre Interdisciplinaire de Nanoscience
de Marseille (Marseille, France), pour leur dextérité au MEB et les analyses EDS,
Rémi Torres, collègue de bureau, ami, partenaire de contrée, futur co-actionnaire apple, témoin
de mariage et bien plus, toujours prêt à partager tes passions et tes voyages, rendez-vous quelque
part dans le monde pour une nouvelle aventure,
Yannick Larmande, voisin de bureau, ami, rival de contrée, et bien plus, même si je suis ar-
rivé à soutenir quelques jours avant toi tu restes imbattable à Pac-man, saches que je serai
toujours prêt à relever un défi contre toi, et je n’oublie pas : ton image de LBIC m’a inspiré mon
schéma en 3D de mon montage (tu vois c’est écrit !),
Vanessa Vervisch, Aude Vatry et Benoit Bussiere pour tous les bons moments passés ensembles,
Tous les membres et ex-membres du LP3 qui ont rendu la vie de tous les jours agréable,
Aux basketteurs et basketteuses qui m’ont permis de garder la forme pendant ses trois ans,
Plein de pensées, de sourires et de mercis à toute ma famille et ma belle famille qui m’ont
toujours soutenu,
A ma famille, à mes amis, à mon monde, pour tout le reste, le superflu et l’essentiel.
Cette thèse est particulièrement dédiée
à Suzanne,
à Sylvia,
à Marie Laure,
à Mila.

9. Oui. . . Nous regardons tous en l’air,
les yeux bien ouverts,
pour voir voler nos rêves,
après tout.
Tite Kubo

11. Table 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 Les mécanismes de transport des charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.4.1 Le transport par bande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.4.2 Le transport par saut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.2.1 La mobilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.2.2 La tension de seuil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.2.3 Le rapport On/Off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.2.4 La pente sous seuil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.3 Effet de l’atmosphère ambiante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.4 Les différentes architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.4.1 Les transistors de type "bottom gate" . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.4.2 Les transistors de type "top gate" . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3 Autres composants organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.1 Les diodes organiques électroluminescentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.2 Les cellules solaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.3 Les micro-batteries organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.4 L’écriture directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.4.1 L’impression par jet d’encre : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.4.2 L’impression par laser : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2 Le Laser-Induced Forward Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.3 Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.4 Paramètres du procédé LIFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.4.1 Ablation laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
xi

12. TABLE DES MATIÈRES xii
2.2.4.2 Interaction laser/matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.4.3 Ablation laser de matériaux organiques . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.4.4 Transfert du film mince . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.4.5 Influence de la séparation des substrats . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.5 La couche sacrificielle protectrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.6 Autres techniques de transfert par laser : complémentarité du LIFT . . . 45
2.2.6.1 Implantation moléculaire par laser . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.6.2 Ecriture directe d’une matrice par évaporation avec un laser im-
pulsionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.6.3 LIFT assisté par hydrogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.6.4 Imagerie thermique induite par laser . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3 Procédé expérimental 47
3.1 Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.1 Laser Excimère KrF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.2 Laser Nd :YAG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3 Visualisation par ombroscopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4 Préparation des échantillons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.1 Substrat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.2 Spin-coating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4.3 Evaporation sous vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.4.4 Pulsed Laser Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.5 Caractérisation des échantillons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.1 Microscopie optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.2 Microscopie électronique à balayage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5.3 Spectroscopie d’énergie dispersive à rayon X . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5.4 Microscopie à force atomique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5.5 Mesures électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5.5.1 Résistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5.5.2 Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5.6 Spectroscopie d’absoption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6 Choix des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6.1 Conducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6.1.1 Polymères conducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.6.1.2 Conducteurs métalliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.6.2 Semi-conducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6.2.1 Les polymères . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6.2.2 Les oligomères . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6.3 Les isolants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.6.4 Le film mince protecteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.7 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4 Transfert de structures simples 73
4.1 Seuil d’endommagement du substrat receveur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2 Etude du transfert de matériaux conducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.1 Matériaux métalliques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.1.1 Matériaux imprimés sous forme solide . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.1.2 Matériaux imprimés sous forme liquide . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.2 Matériau polymère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2.2.1 Transfert en régime nanoseconde . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2.2.2 Transfert en régime picoseconde . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

13. TABLE DES MATIÈRES xiii
4.2.2.3 Analyse des dépôts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2.2.4 Influence d’une couche protectrice . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.2.5 Propriétés électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.3 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.3 Etude du transfert d’un isolant organique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.3.1 Transfert du polymethyle methacrylate (PMMA) . . . . . . . . . . . . . . 95
4.3.2 Transfert avec une couche protectrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.3 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.4 Transfert de semi-conducteurs organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.4.1 Semi-conducteurs de type p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.4.1.1 Phthalocyanine de cuivre (CuPc) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.4.1.2 Distyrylquaterthiophenes (DS4T) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.4.1.2.1 Transfert de DS4T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.4.1.2.2 Influence d’une couche protectrice d’or . . . . . . . . . . 105
4.4.1.2.3 Influence d’une couche protectrice organique . . . . . . 109
4.4.1.3 Pentacène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.4.1.3.1 Transfert de pentacène . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.4.1.3.2 Transfert avec une couche protectrice organique . . . . 112
4.4.2 Semi-conducteurs de type n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.4.3 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.5 Transfert sur supports souples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5 Fabrication de transistors organiques 119
5.1 Configuration Bottom Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.1.1 Transistor à base de CuPc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.1.2 Transistor à base de F16 CuPc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.1.3 Transistor à base de DS4T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.1.4 Transistor à base de pentacene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.2 Configuration Top Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.3 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.4 Transistors organiques à partir d’un transfert multicouche . . . . . . . . . . . . . 133
5.4.1 Transfert du semi-conducteur avec les électrodes . . . . . . . . . . . . . . 134
5.4.2 Transfert du transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.4.2.1 Transistor à base de CuPc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.4.2.2 Transistor à base de Pentacène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.4.3 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.5 Transistors organiques ambipolaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.5.1 Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.5.2 Transistor ambipolaire par évaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.5.3 Construction LIFT par étape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.5.4 Transfert d’un système multicouche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.5.5 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Conclusion 153
Bibliographie 157
Nomenclature 167
Publications 169
Communications 171

14. TABLE DES MATIÈRES xiv

15. Introduction
D’une manière générale, les transistors organiques ne visent pas à concurrencer l’électronique
de pointe, mais plutôt à ouvrir de nouveaux domaines d’applications. Essentiellement utilisés
jusqu’à présent pour leur qualité de flexibilité et, parfois, pour leurs propriétés d’isolants élec-
triques, les plastiques ou polymères, se retrouvent aujourd’hui dotés de propriétés électriques
et optiques. Les travaux de recherche menés dans les années 1970 par Alan Heeger, Alan Mac-
Diarmid et Hideki Shirakawa ont été récompensés en 2000 par un prix Nobel. Ils s’intéressaient
à la conduction des matériaux polymères, ouvrant à ceux-ci le domaine de l’électronique. Dès
lors, de nouveaux composants ont été conçus à partir de ces matériaux et ont donné naissance
à l’électronique organique qu’on appelle aussi électronique plastique. L’électronique organique
vient bouleverser le domaine des composants grâce à ses nombreux atouts, notamment son po-
tentiel de fabrication bas coût et le fait que le support de fabrication puisse être flexible comme le
papier ou le plastique. Un composant organique est aussi beaucoup plus léger qu’un composant à
base de silicium. L’électronique devient alors souple, légère et potentiellement peu coûteuse. Tous
les principaux composants électroniques peuvent être fabriqués à base de matériaux organiques
comme les transistors, les diodes, les résistances, les capacités, les inductances, les mémoires...
On peut alors tout imaginer. L’électronique organique connaît aujourd’hui un engouement sans
précédent. On estime que ce secteur innovant pourrait générer jusqu’à 30 milliards d’euros d’ici
2015 et faire l’objet de nombreux articles dans la presse grand public. Ceci est dû au fait que mal-
gré des performances limitées et une faible stabilité, l’électronique plastique permet d’envisager
des applications particulières.
Actuellement la structuration de couches minces à l’échelle micrométrique trouve des applica-
tions dans des secteurs très différents : citons par exemple la fabrication de bio-puces où il s’agit
de réaliser des matrices de spots susceptibles de contenir divers composés (comme des cellules, de
l’ADN, des nanoparticules fonctionnalisées, ...) destinées à l’analyse de milieux ou à des applica-
tions médicales. Le transistor est l’élément de base d’un circuit électronique et peut être utilisé
comme simple interrupteur, il permet alors de transmettre ou non un signal, ou d’offrir de nom-
breuses fonctionnalités (amplification, modulation, codage...). Cette plasticité a permis en janvier
1

16. Introduction 2
2010 de recréer le fonctionnement d’une synapse par des chercheurs du CNRS et du CEA, avec
le transistor NOMFET (Nanoparticle Organic Memory Field-Effect Transistor) [1]. L’innovation
du NOMFET réside dans la combinaison originale d’un transistor organique et de nanoparticules
d’or. Ces nanoparticules encapsulées, fixées dans le canal du transistor et recouvertes de penta-
cène possèdent un effet mémoire leur permettant de mimer le fonctionnement d’une synapse lors
de la transmission des potentiels d’actions entre deux neurones. Cette propriété confère ainsi
au composant électronique la capacité d’évoluer en fonction du système dans lequel il est placé.
La performance est à comparer aux sept transistors CMOS (Complementary Metal Oxide Se-
miconductor) (a minima) nécessaires jusqu’alors pour mimer cette plasticité. Les calculateurs
neuro-inspirés ainsi réalisés sont capables de fonctions comparables à celles de notre cerveau
et contrairement aux calculateurs en silicium utilisés en abondance dans les ordinateurs pour
le calcul intensif, les calculateurs neuro-inspirés peuvent résoudre des problématiques beaucoup
plus complexes comme la reconnaissance visuelle. Citons encore la fabrication de composants
électroniques organiques tels que des diodes électroluminescentes (OLED) ou des transistors en
couches minces (OTFT) destinés à des applications de la vie quotidienne. Le groupe Samsung
vient début 2010 de révolutionner le domaine des écrans en commercialisant des télévisions avec
une dalle OLED atteignant une diagonale de 42 pouces (106,68 cm) et surpassant en tout point
les performances des écrans actuels, promettant de le rendre flexible pour 2012. Les écrans plats,
qui utilisent des diodes électroluminescentes organiques, promettent des avantages en matière de
qualité d’image, des économies d’énergie et pourraient éventuellement être moins couteux à la
production. Les écrans AMOLED (Active Matrix Organic Light Emitting Diode) sont une va-
riante des écrans OLED classiques, dans lesquels chaque pixel est individuellement contrôlé par
un transistor. Cette technologie a, entre autre, l’avantage d’allonger la durée de vie du produit
(un des gros défauts de la technologie OLED par rapport au LCD), de réduire sa consommation
et d’atteindre une largeur d’écran et une finesse inégalées. Le nouvel écran OLED 3D de Samsung
de 14 pouces, présenté en janvier 2010, n’est épais que de 1,6 mm. Dans le commerce, de pe-
tits écrans OLED sont présents depuis quelques années dans les appareils photos, les téléphones
portables, lecteurs MP4, montres... L’électronique organique est aussi introduite sur le marché
des produits à usage unique notamment dans le domaine médical et pharmaceutique avec des
systèmes de diagnostics jetables. Dans le cadre du développement durable, des potentialités sont
attendues dans le domaine de la conversion photovoltaïque de l’énergie solaire. Un autre grand
marché à conquérir est dans le domaine de l’identification radio-fréquence, ou RFID. RFID est le
terme générique pour la technologie qui consiste à utiliser les ondes radio afin d’identifier d’une
façon automatique des personnes, des animaux ou des objets. La méthode la plus répandue pour

17. Introduction 3
identifier un individu ou un objet repose sur le stockage d’un numéro d’identification ainsi que
d’autres informations si nécessaire dans un microprocesseur relié à une antenne. Cette dernière
constituée d’éléments conducteurs envoie les données à un système de lecture. Le système de
lecture transforme les ondes électromagnétiques en données numériques qui pourront ainsi être
traitées par informatique. Les RFID sont couramment utilisées dans les badges d’accès à des
bâtiments et dans les clés électroniques de certaines automobiles. Elles servent aussi, sous forme
de marqueurs sous-cutanés, à l’identification d’animaux de compagnie, au suivi des espèces sau-
vages ou à celui du bétail. A Paris, le système Vélib’ s’appuie sur des puces RFID pour gérer la
mise à disposition des vélos dans les points de stationnement. De nombreuses épreuves sportives
comme le marathon ou le Tour de France utilisent des puces RFID fixées sur une chaussure, le
cadre, ou le dossard de chaque participant, permettant ainsi le chronométrage individuel lors du
passage des lignes de départ et d’arrivée. En entreprise, la technologie RFID permet de suivre des
produits dans une chaîne de fabrication. Les industriels imaginent d’autres applications, comme
le contrôle des dates de péremption dans un réfrigérateur ou le marquage des cartes d’identité
et des adresses postales.
Ainsi, l’électronique organique prend une place de plus en plus importante dans notre vie
quotidienne d’où les enjeux économiques importants qui en découlent. Dans ce contexte, la réa-
lisation par une technique de dépôt sélectif, de structures, de spots ou de lignes de matériaux
métalliques et/ou organiques voire de gouttelettes, de dimensions caractéristiques de l’ordre de
quelques dizaines de microns, est d’un intérêt considérable.
Cette thèse est axée sur le développement et l’étude d’un procédé laser adapté à ce type de
réalisations. Ce procédé s’appelle le Laser-Induced Forward Transfer (LIFT), signifiant transfert
induit par laser. Le LIFT consiste à décoller sélectivement une couche mince de matériau et à la
déposer sur un autre substrat, placé à proximité, en une seule opération sous l’effet d’un rayon-
nement laser, et ce, sans qu’il y ait perte de ses propriétés. En fonction des propriétés optiques et
thermomécaniques du matériau considéré à la longueur d’onde utilisée et à la fluence d’irradia-
tion, les processus entrant en jeu lors de l’interaction diffèrent, allant d’une ablation thermique du
matériau à une éjection mécanique sous l’action d’ondes de pression de forte amplitude. Dans ce
dernier cas, l’absorption du rayonnement est confinée entre le substrat et la couche de matériau
à éjecter. La dissipation d’énergie sous forme mécanique ou acoustique devient plus importante
que dans le cas d’une expansion libre de la zone irradiée. Le contrôle du procédé passe par la
connaissance des différents mécanismes se produisant lors de ces trois phases : ablation – transfert
– dépôt, et par la détermination du rôle des différents paramètres mis en jeu (densité d’énergie
laser, profil spatial et temporel de l’impulsion, propriétés optiques, thermiques et mécaniques du

18. Introduction 4
matériau à transférer, épaisseur de la couche mince, éloignement des deux échantillons, propriétés
du substrat receveur.....).
Ce mémoire comporte cinq chapitres :
Le premier chapitre donne l’état de l’art des transistors organiques. Nous présentons le prin-
cipe de fonctionnement et les différents types de géométries rencontrés dans la technologie des
OTFTs.
Le deuxième chapitre est une étude bibliographique sur les techniques de fabrication. Une
grande partie est consacrée aux techniques d’impression directe. Nous présentons en détail l’im-
pression laser, les différentes évolutions de la technique et les spécificités qui nous ont amené à
nous concentrer sur cette technique.
Le troisième chapitre est une présentation de la procédure expérimentale de la technique
LIFT et des différents éléments qui la composent. Nous décrivons ensuite en détail les modes
opératoires ainsi que les dispositifs pour l’élaboration et les caractérisations morphologiques et
électriques des substrats donneurs et des structures réalisées. Enfin, nous abordons les différents
matériaux que nous allons utiliser ainsi que les motivations sur le choix de ceux-ci.
Le quatrième chapitre présente l’impression par LIFT de structures simples des différents
matériaux vus dans le chapitre précédent. Les mécanismes intervenant lors du transfert de ma-
tière sont étudiés pour des films minces organiques et inorganiques dans le but d’aboutir à la
fabrication de transistors organiques à films minces (OTFT) par la technique LIFT. Un diagnos-
tic de visualisation en temps réel de l’éjection est utilisé pour étudier la dynamique des phases
d’ablation et de transfert des matériaux, donnant accès au comportement en vol du matériel
transféré. Les objectifs sont de déterminer la nature des processus mis en jeu et de réaliser un
transfert des films tout en conservant leurs propriétés. Les conditions optimales d’impression et
les optimisations nécessaires pour obtenir un transfert viable sont déterminées. Enfin, la faisabi-
lité de la technique LIFT sur support souple est démontrée.
Le cinquième chapitre démontre la fabrication d’OTFTs fonctionnels. Le système final est
parfaitement opérationnel et montre des propriétés presque comparables aux techniques dites
classiques. Ces résultats mettent en évidence que les matériaux sensibles peuvent être transférés

19. Introduction 5
par la technique LIFT sans altérer leurs propriétés fonctionnelles et que des dispositifs com-
plexes peuvent être réalisés. Des transistors organiques dans tous les types d’architectures (Top
et Bottom Gate / Top et Bottom Contact) sont totalement ou en partie imprimés puis caracté-
risés. Ensuite, nous montrerons l’amélioration significative de leurs performances par le transfert
d’ensemble multi-couches. Enfin, une architecture complexe du transistor organique, le transistor
ambipolaire, est étudiée.
Une conclusion générale ferme ce manuscrit.

21. Chapitre 1
Electronique organique
Sommaire
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 Les mécanismes de transport des charges . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2 Les transistors organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.1 Fonctionnement du transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.2 Extraction des paramètres électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.3 Effet de l’atmosphère ambiante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.4 Les différentes architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3 Autres composants organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.1 Les diodes organiques électroluminescentes . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.2 Les cellules solaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.3 Les micro-batteries organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7

22. Chapitre 1 : Electronique organique 8
Depuis l’émergence des polymères conducteurs de nombreuses perspectives d’applications
font de l’électronique organique un champ de recherche majeur. Une compétition entre l’électro-
nique organique et la micro-électronique silicium n’est pas envisagée. Au contraire, l’électronique
organique est en passe de devenir un élargissement du marché de l’électronique avec des applica-
tions nouvelles envisagées de par le très bas-coût obtenu avec cette technologie. De nos jours, les
composants électroniques trouvent d’innombrables applications dans nos vies assurant un soutien
rapide et efficace dans toutes les activités humaines allant du travail aux loisirs.
Bien que l’engouement du secteur de la micro-électronique envers ces nouveaux matériaux
soit principalement économique, on peut les considérer comme des alternatives aux matériaux
classiques pour d’autres raisons. Leur avantage majeur est la facilité de fabrication des compo-
sants. Aujourd’hui, il existe des matériaux organiques solubles et de nouvelles techniques ont
pu être élaborées. Leur second avantage est la tenue mécanique, leur structure flexible les rend
particulièrement intéressants pour un large éventail d’applications comme par exemple les écrans
souples.
1.1 Les matériaux
Vers la fin des années 1970, trois scientifiques (Heeger, MacDiarmid et Shirakawa, Prix No-
bel de Chimie en 2000) ont découvert qu’un polymère, le polyacétylène, pouvait être rendu
conducteur presque comme un métal [2–5] : les films de polyacétylène devenaient 109 fois plus
conducteurs après une exposition à des vapeurs d’iode, de chlore ou de brome qu’ils ne l’étaient à
l’origine. Cette découverte a attiré l’attention de nombreux autres scientifiques sur le polyacéty-
lène, puis progressivement sur la polyaniline, le polypyrrole et les polythiophènes, qui présentent
l’avantage d’être chimiquement plus stables que le polyacétylène au contact de l’air. Ils consti-
tuent aujourd’hui les polymères conducteurs les plus étudiés.
Les polymères conducteurs réprésentent un domaine de recherche et d’innovation important
au sein des nouvelles technologies. Ils sont utilisés à grande échelle dans de nombreuses appli-
cations, pouvant être très variées. Pour les rendre encore plus attractifs dans leurs domaines
d’utilisation, il est nécessaire de trouver des moyens permettant d’améliorer leurs propriétés élec-
triques à long terme. La clé de la conductivité de ces polymères réside dans la présence de liaisons
doubles conjuguées (c’est à dire une succession de liaisons simples et doubles) le long du squelette
du polymère. Toutefois, cette structure conjuguée n’est pas suffisante pour rendre un polymère
conducteur : il est aussi nécessaire d’introduire des porteurs de charge sous la forme d’électrons
ou de trous au sein du matériau. C’est ce que permet de faire le dopage, qui consiste en une
réaction d’oxydation ou de réduction chimique.

23. Chapitre 1 : Electronique organique 9
1.1.1 Le caractère semi-conducteur des matériaux organiques
Le terme « semi-conducteur » a été introduit en 1911 (en allemand : « halbleiter ») pour
désigner ces matériaux « anormaux ». Dans le modèle des bandes, la structure électronique d’un
matériau renseigne sur ses propriétés électriques et permet de le classer parmi les métaux, les
semi-conducteurs ou les isolants, suivant la largeur de sa bande interdite (ou gap). Les métaux
sont des conducteurs car ils possèdent une bande de conduction partiellement remplie (pas de
bande interdite). Les semi-conducteurs intrinsèques possèdent une bande de valence remplie et
une bande de conduction vide, séparées l’une de l’autre par une bande interdite. La bande de
conduction peut être peuplée, au détriment de la bande de valence, par la promotion d’électrons
depuis cette dernière. L’énergie à fournir Eg correspond au gap. Les isolants possèdent une
structure de bande similaire à celle des semi-conducteurs, mais la largeur de bande interdite est
trop importante pour permettre le passage d’un électron de la bande de valence vers la bande de
conduction.
Les matériaux organiques sont constitués le plus souvent d’atomes de carbone, d’hydrogène,
d’oxygène, d’azote, et d’autres éléments tels que les halogènes (fluor, brome, iode). C’est la
nature des liaisons entre les atomes de carbone qui leur confère le caractère semi-conducteur. Les
matériaux semi conducteurs organiques sont constitués d’oligomères ou de polymères conjugués.
Ces derniers présentent une alternance de liaisons simples (σ) et de doubles liaisons (Π). Dans la
plupart des molécules conjuguées, l’origine de ces liaisons provient de l’association de deux atomes
de carbone hybridés sp2 : le recouvrement des orbitales atomiques (OA) sp2 entre elles conduit à
la formation d’orbitales moléculaires (OM) σ liantes et σ ∗ anti-liantes alors que le recouvrement
des OA de type pZ conduit à une OM Π liante et Π∗ anti-liante. Quand on associe n atomes
de carbone, leurs interactions produisent n orbitales moléculaires liantes et anti-liantes, qui sont
réparties en des ensembles disjoints. Elles constituent les bandes permises pour les électrons, dans
l’espace des énergies. Les énergies de transition de σ à σ ∗ sont plus importantes que celles de Π
et de Π∗ . Les orbitales liantes Π donnent la bande HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital)
et les orbitales anti-liantes Π∗ , la bande LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital). Elles
sont apparentées respectivement à la bande de valence et à la bande de conduction. L’énergie
nécessaire pour amener un électron du haut de la HOMO vers le bas de la LUMO est le gap, Eg .
Le modèle classique de bandes n’est qu’une approximation, mais il permet d’aborder de ma-
nière qualitative la plupart des phénomènes observés dans les matériaux organiques.
Il apparaît déjà que ces matériaux faits d’assemblages moléculaires ne sont pas des semi-
conducteurs au vrai sens du terme, car présentant très peu de charges libres et des gaps d’énergie

24. Chapitre 1 : Electronique organique 10
assez larges, entre 1,5 et 4 eV, ils sont placés dans la catégorie des semi-conducteurs à large gap.
Par analogie avec les semi-conducteurs inorganiques, le potentiel d’ionisation est l’énergie requise
pour extraire un électron du niveau HOMO et l’affinité électronique est définie par l’énergie
gagnée pour accepter un électron du niveau LUMO.
1.1.2 Introduction de charges
La bande interdite des semi-conducteurs organiques étant assez large, ils sont naturellement
isolants. Ils deviennent conducteurs grâce à l’introduction de charges. Celle-ci ne se traduit pas
par l’adjonction d’un électron ou d’un trou comme dans le cas des semi-conducteurs inorganiques
mais par une déformation locale du réseau, créant un état localisé dans la bande interdite.
Le dopage d’un semi-conducteur intrinsèque (type silicium) consiste à modifier la densité des
porteurs de charges par addition délibérée d’impuretés, en augmentant le nombre d’électrons :
dopage de type n, ou de trous : dopage de type p.
Dopage de type n : il consiste à augmenter la densité d’électrons du semi-conducteur. Pour
cela, on va remplacer une partie des atomes du matériau semi-conducteur par des atomes plus
riches en électrons. Il va en résulter un excès d’électrons de valence qui vont passer facilement
dans la bande de conduction à température ambiante. Cela va diminuer la résistivité du semi-
conducteur.
Dopage de type p : il consiste à augmenter la densité des trous dans le semi-conducteur.
On appelle trou le manque d’un électron dans une liaison covalente. Des électrons du matériau
vont pouvoir se déplacer plus facilement et combler ce trou. Ce dernier va se déplacer dans le
sens contraire des électrons.
Les atomes d’impuretés vont occuper des positions de substitution dans le réseau du silicium.
Des niveaux d’énergie apparaissent dans la bande interdite, soit près de la bande de conduction
pour un donneur (dopage n), soit près de la bande de valence pour un accepteur (dopage p). Les
impuretés sont facilement thermo-ionisées (E ≈ 0,01 eV). Ainsi, soit des électrons passent dans
la bande de conduction (dopage n), soit des trous apparaissent dans la bande de valence (dopage
p). Une conduction est alors possible grâce aux porteurs introduits dans les bandes respectives.
La conduction électronique, dans les semi-conducteurs organiques, et le transport des charges
de façon générale nécessitent au préalable la création de porteurs de charges libres. Au niveau
moléculaire, ceci implique une ionisation facile : soit par éjection d’électrons des plus hauts

25. Chapitre 1 : Electronique organique 11
niveaux électroniques occupés de la molécule (HOMO), soit par capture d’électrons dans les plus
bas niveaux électroniques inoccupés (LUMO).
L’introduction des charges peut être effectuée de deux manières :
- Par injection via un champ électrique depuis une électrode. Il faut choisir un métal avec un
travail de sortie approprié selon le type de porteurs que l’on veut injecter. Le niveau de Fermi
du métal doit être proche de l’HOMO pour l’injection de trous ou proche de la LUMO pour les
électrons.
- Par dopage, ce qui se produit grâce à une réaction d’oxydation (p-type) ou plus rarement
de réduction (n-type). Par ailleurs, des co-évaporations de deux matériaux organiques peuvent
amener au dopage de l’un par l’autre.
1.1.3 Organisation des molécules dans le film fin organique
La mobilité des porteurs de charges est fortement liée à l’ordre structurel du film organique.
Il faut que la délocalisation électronique sur la molécule soit grande et que l’organisation des
molécules entre elles favorise le recouvrement des orbitales Π (Π-stacking). Le désordre a pour
effet d’induire une localisation des états électroniques. Les origines de ce désordre se manifestent
à différentes échelles. On parle de désordre homogène lorsque l’on se place à l’échelle molécu-
laire et de désordre hétérogène pour les échelles mésoscopiques et macroscopiques. Les causes
de désordre homogène sont de deux types : le désordre chimique (défauts de polymérisation, dé-
fauts de conjugaison, bouts de chaîne) et le désordre de conformation (rotation des cycles autour
des liaisons inter-cycles). Le désordre hétérogène fait, quant à lui, intervenir la notion de grains
conducteurs ou d’îlots métalliques. On décrit le système par une alternance de zones fortement
conductrices (parce que bien dopées et/ou bien ordonnées) et de zones isolantes (parce que peu
dopées et/ou amorphes). Une même macromolécule peut appartenir partiellement à chacune des
ces régions. Le fait de chauffer le substrat pendant le dépôt de l’organique [6], de contrôler le taux
de dépôt [7], de traiter la surface [8] et le choix du diélectrique sont des paramètres essentiels
pour favoriser une croissance organisée du SCO. Les films organiques peuvent être monocris-
tallins, polycristallins ou amorphes. Les mobilités les plus importantes sont mesurées dans les
monocristaux, les joints de grains limitant la conduction dans le cas de matériaux polycristal-
lins et le désordre étant très important dans les SCO amorphes. La plupart des polymères sont
amorphes. Les petites molécules peuvent donner des films polycristallins ou monocristallins. Cer-
tains paramètres comme la différence de température entre la zone de sublimation et la zone de
croissance, le flux de dihydrogène, la pureté initiale du matériau sont cruciaux pour avoir des
cristaux de qualité [9].

26. Chapitre 1 : Electronique organique 12
1.1.4 Les mécanismes de transport des charges
Comme dans les semi-conducteurs inorganiques, le transport des charges dans les semi-
conducteurs organiques se fait par diffusion et par conduction. Mais la similarité s’arrête ici.
Le mécanisme de transport exact dans ces matériaux reste encore largement inconnu. Cependant
plusieurs modèles de transport ont été proposés. Parmi ces modèles on retrouve :
– le transport par bande (band transport)
– le transport par saut (variable range hopping, VRH) [10]
– le transport par piégeage-dépiégeage (Multiple Trapping and Release, MTR) [11]
– Charging Energy Limited Tunnelling (CELT) [12]
– le modèle de l’activation d’énergie (Activation Energy Model) [13]
– le modèle du désordre gaussien (Gausian Disorder Model, GDM) [14]
Ces modèles sont applicables selon la nature du matériau : amorphe, monocristallin ou poly-
cristallin [15]. Nous allons voir dans les sections suivantes plus en détail les trois premiers types
de transport cités.
1.1.4.1 Le transport par bande
Dans ce modèle, les interactions intermoléculaires conduisent à la création de bande d’énergie
pour les électrons et les trous. C’est un modèle applicable au matériau monocristallin. Les bandes
sont des états délocalisés dans lesquels les électrons et les trous peuvent circuler librement. De
ce fait, le transport des charges est limité par les déformations du réseau qui favorisent la rétro-
diffusion des porteurs et par conséquent une réduction de leur mobilité. Ainsi une augmentation
de la température entrainant les vibrations du réseau limite le mécanisme de transport. A basse
température moins de phonons sont présents dans le réseau conduisant à une augmentation de
la mobilité des porteurs.
1.1.4.2 Le transport par saut
Ce modèle de transport se rencontre dans les matériaux polycristallins et amorphes et a
été proposé par Dr M. Vissenberg et Dr. M. Matters en 1998 [10, 16]. Il se manifeste par une
succession de sauts d’un site à un autre. En effet, dans ce mécanisme de transport, les sauts
entre les sites localisés sont thermiquement activés et la mobilité des porteurs augmente avec
la température. La localisation des porteurs vient soit du désordre, soit de l’auto-localisation
de celui-ci suite à des distorsions environnantes créées par le porteur lui même, le couplage qui
s’établit entre ce dernier et son environnement est appelé polaron et est considéré comme une
quasi-particule. Le saut entre états localisés nécessite souvent une certaine énergie. Pour passer

27. Chapitre 1 : Electronique organique 13
d’un état (1) à un état (2), la charge doit franchir une barrière d’énergie Eb , figure 1.1. Bien sûr, si
la barrière est faible, l’énergie thermique suffit pour la franchir. Dans le cas d’une haute barrière
d’énergie, le porteur va absorber un phonon dans le réseau et acquérir l’énergie nécessaire qui
lui permettra de franchir la barrière, puis restituer un phonon : c’est le hopping. Les vibrations
du réseau sont en permanence activées thermiquement ce qui fait que le hopping devient plus
important lorsque la température augmente. A basse température, l’énergie thermique n’est plus
suffisante pour permettre le saut mais le porteur peut passer de l’état (1) à un état (3) (« (2))
par effet tunnel si la distance entre sites n’est pas trop grande. C’est un des modèles utilisés pour
décrire la conduction dans les semi-conducteurs organiques désordonnés.
Figure 1.1 – Modèle de transport par saut (variable range hopping, VRH)
1.1.4.3 Le transport par piégeage-dépiégeage
Le transport par piégeage-dépiégeage (MTR) est un modèle proposé par Dr. G. Horowitz, en
1995 [11] basé sur le modèle de 1970 du Dr. P.G. Le Comber [17]. La densité des pièges dans les
semi-conducteurs cristallins est généralement faible comparée à la concentration des porteurs et
les effets de piégeage sont négligeables sur la mobilité des porteurs. Ces pièges proviennent souvent
des joints de grains, des impuretés dans le semi-conducteur organique ou des défauts structuraux
et d’interfaces. Cependant, dans les semi-conducteurs amorphes, la densité d’états localisés est
très significative comparée à la densité des porteurs, et les charges sont en permanence piégées
dans ces états. Le transport des charges se fait alors par un dépiégeage des porteurs de charge
suite à un abaissement de la barrière d’énergie par la température ce qui laisse alors sous entendre
une mobilité de charge thermiquement activée. Le temps de résidence des porteurs dans les états
pièges dépendra de leurs profondeurs et de la température. Plus le niveau piège reste profond,
plus la libération du porteur sera difficile. Le modèle MTR prévoit aussi une dépendance de la
mobilité des porteurs en fonction de la tension de grille du transistor, à faible tension de grille
toutes les charges induites vont dans les niveaux localisés et la mobilité est faible. A mesure

28. Chapitre 1 : Electronique organique 14
que la tension de grille augmente, le niveau de Fermi se rapproche de la bande, de plus en plus
de pièges se remplissent et la densité de porteurs libres et la mobilité augmentent [18]. Jusque
là, le modèle était applicable pour des films constitués de petits grains dont la distribution des
pièges (joints de grain) était homogène. Cependant lorsque la taille des grains devient grande, la
mobilité n’est plus thermiquement activée et devient constante lorsque la température diminue.
Il a fallu alors adapter le modèle en tenant compte de la morphologie du semi-conducteur [19,20].
Ainsi plus la taille des grains augmente, plus la mobilité des porteurs de charge augmente. Le
modèle s’applique à la fois aux matériaux amorphes et polycristallins et reste aussi utilisé pour
décrire le transport des charges dans ces matériaux.
1.2 Les transistors organiques
Pièce maîtresse de toute l’électronique, le transistor est plus connu sous l’acronyme anglais
OTFT (Organic Thin Film Transistor) signifiant transistor organique à films minces ou encore
OFET (Organic Field Effect Transistor) pour transistor organique à effet de champ. Ces com-
posants électroniques à base de semi-conducteur organique sont devenus incontournables dans le
monde de l’électronique plastique. Les premières réalisations des transistors organiques ont vu le
jour dans les années 1980 [21]. Cette technologie est devenue rapidement très attractive dans le
milieu industriel où le silicium et les semi-conducteurs inorganiques ont toujours régné. Le tran-
sistor a deux usages principaux : amplifier un signal pour lui permettre d’acquérir une puissance
suffisante ou jouer un rôle de commutateur. La faible conductivité des semi-conducteurs orga-
niques fait que les transistors organiques ne peuvent rivaliser avec les transistors à effet de champ
à base de semi-conducteurs minéraux monocristallins dans des applications qui demandent de
grandes vitesses de commutation. Cependant leur méthode de production en grande surface, sur
des substrats flexibles, à température ambiante fait des transistors organiques des composants
moins onéreux en matière de fabrication. Ainsi ils trouvent leurs applications dans les réalisations
de capteurs (chimique, biologique [22], de pression, de température), d’étiquettes intelligentes, de
circuits de commande pour écran OLED (Organic Light Emitting Diode), etc. Ce chapitre aborde
une description générale des transistors organiques et de leur fonctionnement en insistant sur les
éléments essentiels qui vont être utilisés dans cette thèse. La synthèse bibliographique présentée
ici dérive des travaux approfondis contenus dans les thèses d’Anne-Laure Deman, 2005 [15], de
Mickaël Barret, 2007 [23], d’Abdou Karim Diallo, 2008 [22] et d’Amina Belkhir, 2009 [24].

29. Chapitre 1 : Electronique organique 15
1.2.1 Fonctionnement du transistor
Un transistor (venant de "transfer resistor") est un interrupteur électronique dans lequel une
résistance entre deux électrodes est contrôlée par une tension externe. Le principe de fonction-
nement des transistors organiques est le même que celui des transistors inorganiques en couches
minces. Il est constitué d’un empilement de couches minces comme illustré dans la figure 1.2.
Figure 1.2 – Schéma d’un transistor organique en films minces de type grille en bas et source/drain au
dessus.
Le semi-conducteur : représente la couche active et est le siège du canal de conduction du
transistor.
Les contacts source/drain (S/D) : sont les électrodes qui permettent d’accéder au canal
et d’injecter des charges.
L’isolant : permet d’isoler le canal. C’est un des éléments clés du transistor. L’isolant em-
pêche le passage de courant entre la grille et le semi-conducteur. Selon la valeur de sa constante
diélectrique et du potentiel appliqué sur la grille, une accumulation plus ou moins importante
de porteurs de charges dans le canal est possible. Les isolants possèdent une structure de bandes
similaire à celle des semi-conducteurs, mais la largeur de la bande interdite est trop importante
pour permettre le passage d’un électron de la bande de valence vers la bande de conduction.
La grille : est une électrode conductrice qui permet de contrôler le courant circulant dans
le canal du transistor en fonction du potentiel qui lui est appliqué.
Le substrat : peut être de tous types de matériaux.
W et L sont les principaux paramètres morphologiques et définissent respectivement la lar-
geur et la longueur du canal.
Quand une tension VG est appliquée entre la source et la grille, l’interface entre le matériau
isolant et le semi-conducteur organique agit comme un condensateur et se charge. L’augmentation
de la concentration des porteurs de charge dans la couche organique améliore sa conductivité.

30. Chapitre 1 : Electronique organique 16
Sur l’application d’une tension VD entre la source et le drain, le courant peut s’écouler dans la
voie conductrice qui vient de se créer.
Considérons le cas d’un semi-conducteur organique de type p. Un potentiel positif appliqué
sur la grille conduit au mode dit de déplétion et aucun courant ne circule quelque soit la tension
appliquée sur le drain. Lorsqu’on applique une tension négative sur l’électrode de grille, une ac-
cumulation de charges positives s’effectue à l’interface entre le semi-conducteur organique (SCO)
et l’isolant. Cette accumulation se fait via l’injection de porteurs depuis la source (connectée à
la masse). L’application d’un potentiel négatif sur le drain crée alors un canal entre ces deux
électrodes (S/D) où les porteurs positifs (trous) circuleront de la source vers le drain. Ce canal de
conduction s’effectue dans les premières monocouches du SCO situées juste au dessus de l’isolant
et dépend bien sûr de la valeur de la tension de grille appliquée.
Pour un potentiel de grille |VG | > |VT | (où VT représente la tension de seuil, définie dans la
section 1.2.2.2 page 19) et |VD | < |VG -VT | alors un courant traverse le canal : c’est le courant
de drain (Id ). Dans cette zone, ce courant reste linéaire avec la tension de drain appliquée : c’est
le régime linéaire [25] :
W µCi
Id = [(VG − VT )VD ] (1.1)
2L
Avec Ci la capacité du diélectrique de grille et µ la mobilité des porteurs de charges. En aug-
mentant la tension de drain |VD | > |VG -VT | avec toujours |VG | > |VT |, Id n’augmente plus
linéairement. Lorsque VD devient beaucoup plus élevée, le courant tend vers une valeur presque
constante qu’on appelle le courant de saturation Idsat : c’est le régime de saturation [25] :
W µCi
Id = (VG − VT )2 (1.2)
2L
Cette saturation est due au pincement du canal qui se crée proche de l’électrode de drain. En
effet, une zone de déplétion apparaît du coté de l’électrode de drain jusqu’au point de pincement
et empêche la conduction du canal. Ainsi les porteurs sont de plus en plus repoussés du coté de
la source lorsque la tension de drain augmente.
1.2.2 Extraction des paramètres électriques
Les différents paramètres qui caractérisent les performances du transistor vont permettre
d’analyser les effets du procédé LIFT lors de leur fabrication. Ces données permettront de juger
de la qualité des structures transférées ainsi que de l’état des interfaces entre les différents com-
posants.

31. Chapitre 1 : Electronique organique 17
L’extraction des paramètres d’un transistor se fait à partir de deux types de mesures. La
première caractéristique permettant de visualiser le fonctionnement d’un transistor à effet de
champ consiste à tracer son courant de drain Id en fonction de la tension de drain VD pour dif-
férentes tensions de grille VG . Cette courbe est un premier élément qualitatif du fonctionnement
d’un transistor. On identifiera d’un coup d’œil la capacité du transistor à suivre les variations
de la tension de grille, à saturer ou à être bloqué, à conduire des courants élevés, etc... Pour
chaque tension de grille appliquée, trois régimes se distinguent pour l’état passant du transistor.
Dans un premier temps, il y a le régime dit linéaire à faible tension VD . Le courant Id augmente
linéairement avec la tension VD . Dans un second temps, le régime est dit sous-linéaire, l’intensité
n’évolue plus linéairement et la courbe forme un « coude ». Enfin, s’installe le régime dit saturé
où le courant Id est indépendant de la tension VD et n’évolue plus. Le schéma, figure 1.3, montre
la caractéristique de sortie typique d’un transistor organique de type n.
Figure 1.3 – Caractéristique de sortie typique d’un transistor type n en hexadecaphthlalocyanine de
cuivre (F16 CuPc) avec des électrodes d’or, évaporés sous vide, sur substrat de silicium et dioxyde de
silicium.
Voyons d’un point de vue physique, les différences entre ces trois régimes :
• Régime linéaire (VD faible) : le courant Id varie proportionnellement à la tension drain
source VD . Les pentes des caractéristiques sont fonction de la géométrie du transistor, W (lar-
geur), L (longueur) de la grille, de la capacité d’isolant de grille Ci , de la mobilité des porteurs
de charge, µ et de la tension de polarisation grille-source VG . Le transistor se comporte comme
une résistance commandée par la tension de grille.
• Régime sous linéaire : quand la tension drain-source augmente au-delà du régime linéaire,
la densité de porteurs libres décroît au voisinage du drain, et le courant de drain présente une
variation sous-linéaire.

32. Chapitre 1 : Electronique organique 18
• Régime saturé : le régime de saturation est atteint lorsque la densité de porteurs devient
nulle côté drain. Le courant drain ne peut plus augmenter avec la tension drain et sature. Le
courant de saturation dépend de la tension de grille.
La deuxième mesure est la courbe de transfert, Id = f(VG ). Un transistor à effet de champ
est par essence une source de courant (Id ) commandée en tension (VG ). Le gain du composant
sera d’autant meilleur que la variation de courant Id sera forte pour une variation donnée de la
tension de grille. Ce gain dépend d’un certain nombre de paramètres physiques du transistor, et
notamment de la mobilité des porteurs de charge. Le schéma 1.4 présente la caractéristique de
transfert typique d’un transistor organique.
Figure 1.4 – Caractéristique de transfert typique d’un transistor en phthlalocyanine de cuivre (CuPc)
avec des électrodes d’or, évaporés sous vide, sur substrat de silicium et dioxyde de silicium.
Ces différentes courbes nous permettent d’extraire des paramètres physiques importants du
transistor, de même que d’un coup d’œil, de se faire une idée sur ses performances.
1.2.2.1 La mobilité
La mobilité représente la facilité qu’ont les porteurs à se déplacer dans la couche active en
présence d’un champ électrique. Elle apparait comme un facteur amplifiant le courant de drain
et est directement liée à la vitesse de commutation des circuits. Plus elle est importante, plus
L2
le temps de commutation tc = µ·Vd diminue. Elle est aussi dépendante de la morphologie du
semi-conducteur organique car meilleure est la croissance du matériau, meilleure est la mobilité
et plus le courant du transistor augmente.

33. Chapitre 1 : Electronique organique 19
Deux expressions de la mobilité peuvent être extraites, celle dans le domaine linéaire et celle
dans le domaine de saturation. Elles sont toutes deux du même ordre de grandeur, la mobilité dans
le domaine linéaire étant souvent 10 à 30 % inférieure à celle du domaine de saturation [26, 27].
Le fait que la mobilité dépende de la tension de grille incite à préférer celle dans le domaine
linéaire.
Nous avons choisi d’extraire ce paramètre à partir de la courbe de sortie en régime de sa-
turation à cause des phénomènes à basse tension et des courants faibles obtenus à fort VG . De
plus cette méthode étant très utilisée, elle permettra d’établir une comparaison de la mobilité
des transistors élaborés avec la technique LIFT avec les autres techniques. Dans ce régime, il est
nécessaire de s’affranchir de la tension de seuil (VT ). A VT constant, en dérivant par rapport à
VG , nous obtenons de l’équation 1.2 :
√
√ ∂ Id 2L
µ= (1.3)
(∂VG ) W Ci
√
La mobilité est donc mesurée à partir de la pente du tracé de Id = f(VG ).
1.2.2.2 La tension de seuil
Dans les MOSFETs classiques (Métal Oxyde Semi-conducteur Field Effect Transistor), la
tension de seuil (VT ) est définie comme étant la tension de grille (VG ) à partir de laquelle on
atteint l’inversion (tension à partir de laquelle le canal commence à se former : création de la
conduction). Lorsque la tension grille-source est inférieure à VT , le transistor est dit bloqué, il
ne conduit pas. Dans le cas contraire, il est dit passant, il conduit le courant entre le drain et la
source. Cependant dans les OFETs cette définition n’est pas valable car ces composants ne fonc-
tionnent pas en inversion mais en déplétion et en accumulation. Donc la définition de la tension
de seuil VT suscite quelques interrogations sur sa validité scientifique [18]. Sa détermination est
très importante pour la modélisation des circuits. Elle est exprimée par la formule suivante 1.4 :
qn0 d
VT = + Vf b (1.4)
Ci
Où d est l’épaisseur du semi-conducteur, Ci est la capacité de l’isolant, q la charge élémentaire,
n0 la densité de porteurs majoritaires et Vf b la tension de bande plate (due à la présence de
charges d’interfaces et du non alignement des niveaux d’énergie de chaque coté de l’isolant).
A partir des caractéristiques électriques de transfert, la tension de seuil peut être extraite par
deux méthodes :

34. Chapitre 1 : Electronique organique 20
En régime de saturation : méthode la plus utilisée. Elle fait cependant abstraction de
l’influence de la résistance des contacts et de la dépendance de la mobilité avec la tension de
grille. C’est la méthode que nous utiliserons, l’extraction se fait à partir de la courbe de transfert.
VT est obtenue en extrapolant la tangente à la zone linéaire jusqu’à l’intersection avec l’axe des
abscisses.
En régime linéaire : méthode de la dérivée seconde, initialement proposée pour les transis-
tors MOSFETs puis récemment appliquée aux OFETs [28]. Plus rigoureuse, elle tient compte de
la dépendance de la mobilité avec la tension de grille et de la résistance des contacts. Avec cette
∂ 2 Id
méthode la tension de seuil correspond à la tension pour laquelle la courbe ∂Vg 2 (à Vd constante
en régime linéaire) présente un maximum.
Le transistor organique fonctionnant en régime d’accumulation avec des mécanismes de trans-
port différents, ainsi que des contacts de nature différente (ohmique et non une jonction PN), on
peut s’interroger sur la validité de cette valeur. De ce fait, dans ce modèle VT devrait être nulle
car le transistor organique opère en accumulation. Néanmoins, plusieurs éléments vont contribuer
à l’établissement d’une tension seuil, assimilée à VT .
La première de ces contributions provient du dopage de la couche semi-conductrice. Plus le
niveau de dopage N (cm−3 ) sera élevé et plus cette contribution sera majoritaire. Une autre
contribution possible à VT provient de l’établissement du potentiel de bandes plates. Lorsque les
niveaux d’énergie diffèrent de part et d’autre de l’isolant, où s’il existe des charges d’interface
(Qi ), il est nécessaire de prendre en compte ce potentiel Vf b nécessaire à l’alignement des niveaux.
La dernière contribution provient des pièges présents dans le semi-conducteur organique.
La formule de VT suppose que les porteurs soient libres. Ce n’est pas la réalité dans les semi-
conducteurs organiques car beaucoup de ces porteurs vont être capturés par des pièges.
1.2.2.3 Le rapport On/Off
Le rapport On/Off est utilisé pour évaluer la performance des transistors organiques. C’est
le paramètre crucial du transistor, il correspond au rapport des courants lorsque la tension VG
commute entre l’état On et l’état Off. En effet un rapport On/Off élevé permet d’obtenir une
bonne commutation dans les circuits électroniques. Il est extrait à partir de la caractéristique
de transfert du transistor. Ce courant "Off" est plus facile à visualiser en traçant, en échelle
logarithmique, la caractéristique de transfert.
Dans les semi-conducteurs en couche mince, un courant "Off" non nul est généralement
observé (même à une tension de grille nulle : il est souvent associé au courant de volume) dû à
la conductivité non nulle du matériau. Cette conductivité dépend de l’épaisseur de la couche et

35. Chapitre 1 : Electronique organique 21
de la géométrie du transistor et est souvent due à un dopage résiduel.
L’extraction de IOn et IOf f se fait sur la courbe de transfert en échelle logarithmique, comme
montré sur la figure 1.4. Il s’agit respectivement du courant le plus fort et le plus faible mesuré.
1.2.2.4 La pente sous seuil
La pente sous seuil S renseigne sur la vitesse de basculement du transistor. Comme pour le
rapport On/Off, la pente sous le seuil est extraite à partir de la caractéristique de transfert en
échelle logarithmique. Elle s’exprime en V/decade et représente la variation du potentiel de grille
nécessaire pour augmenter le courant de drain d’une décade.
dVg kT Cd + Cit
S= = ln(10)(1 + ) (1.5)
dlog10 (Id ) q Ci
Où k représente la constante Boltzmann, T la température, Cit la capacité équivalente à la
densité d’états d’interfaces (Cit = qNss avec Nss la densité d’états d’interfaces) entre le semi-
conducteur et le diélectrique, Ci celle de l’isolant et Cd la capacité de déplétion dont la valeur
dépend de la densité de pièges dans le volume. Il apparaît dans l’équation 1.5 que la pente sous
le seuil bien que dépendante de la qualité de l’interface, est aussi sensible aux pièges qui se
situent dans le volume du semi-conducteur. L’expression issue du courant sous le seuil établie à
partir du modèle de transistor MOS classique, montre les contributions des défauts volumiques
et d’interfaces sur la pente sous le seuil.
√
kT sc Nbs Nss
S= ln(10)[1 + q( + )] (1.6)
q Ci Ci
Où Nbs est la densité d’états dans le volume du semi-conducteur et sc sa constante diélec-
trique. Cependant il est difficile d’extraire Nbs et Nss de la simple analyse de S seule, et donc
d’autres méthodes d’analyses sont nécessaires pour les déterminer. Pour simplifier l’étude nous
négligerons l’influence de la densité de défauts dans le volume sur la pente sous le seuil et sa
valeur extraite sera simplement due à la densité d’états d’interfaces entre l’isolant et le semi-
conducteur organique.
Ce qui réduit l’équation 1.6 à
kT Nss
S= ln(10)[1 + q ] (1.7)
q Ci

36. Chapitre 1 : Electronique organique 22
A partir de la détermination de la pente sous seuil, nous pouvons accéder à la densité d’états
d’interfaces Nss (cm−2 .eV−1 ) :
S Ci
Nss = [ kT
− 1] 2 (1.8)
ln(10) q q
Notons par ailleurs que la pente sous seuil peut être dégradée par une application continue
de tension sur l’électrode de grille et l’environnement dans lequel le transistor opère.
1.2.3 Effet de l’atmosphère ambiante
Différentes études ont montré que l’atmosphère ambiante et notamment l’humidité de l’air
pouvaient dégrader les performances des transistors organiques [29]. Le courant de drain, la
mobilité, le rapport On/Off tendent à diminuer, la tension de seuil quant à elle, augmente à
mesure que le taux d’humidité dans l’air grandit. Différents mécanismes peuvent expliquer cette
dégradation [30]. L’eau peut diffuser à travers les joints de grains, modifier les interactions in-
termoléculaires, et ainsi rendre plus difficile le transport de charges inter grains. Les molécules
polaires de l’eau peuvent interagir avec les charges du canal et en réduire la mobilité. Ou encore,
des ions associés à l’eau peuvent être à la source de mouvements ioniques. CO2 et O2 peuvent
aussi générer des dégradations, mais elles sont moins importantes [31]. Des méthodes d’encapsu-
lation ont été imaginées pour limiter les interactions entre le matériau organique et l’air ambiant.
En réalisant des transistors avec une structure Top Gate, le diélectrique joue alors aussi le rôle
de couche protectrice, le temps de vie des transistors est amélioré.
L’atmosphère ambiante peut donc être un problème majeur pour l’impression LIFT des semi-
conducteurs organiques. En effet, l’intérêt de la technique est son opérabilité à l’air et de ne pas
nécessiter d’atmosphère contrôlée ou de système sous vide.
1.2.4 Les différentes architectures
Dans les transistors organiques, on distingue deux grandes familles d’architecture : les OTFTs
avec la grille déposée en premier dits "bottom gate" (BG) et les OTFTs avec la grille déposée
en dernier dits "top gate" (TG). Un schéma de synthèse est présenté en figure 1.5.
1.2.4.1 Les transistors de type "bottom gate"
C’est une configuration habituelle pour laquelle l’électrode de grille est déposée directement
sur le substrat suivi du dépôt de diélectrique sur la grille. Elle est composée de deux structures
appelées "bottom contact" (BC) et "top contact" (TC) représentées respectivement par les figures
1.5a et 1.5b.

37. Chapitre 1 : Electronique organique 23
Figure 1.5 – Les différents types d’architectures rencontrées dans les transistors organiques. (a) Bot-
tom gate/Top contact (BG/TC). (b) Bottom gate/Bottom contact (BG/BC). (c) Top gate/Top contact
(TG/TC). (d) Top gate/Bottom gate (TG/BG).
1.2.4.2 Les transistors de type "top gate"
De la même façon que les BG, les TG sont constitués de deux structures que sont les TC
et les BC représentées respectivement sur les figures 1.5c et 1.5d. Cette configuration est moins
présente dans la littérature car plus délicate à réaliser. Une des raisons est qu’il est plus facile de
déposer un semi-conducteur organique sur un diélectrique que l’inverse. Comme on le voit sur
cette géométrie, le diélectrique est directement déposé sur le semi-conducteur organique (SCO)
et comme le canal de conduction se situe à l’interface entre le semi-conducteur et le diélectrique,
une très grande précaution doit être prise lors du dépôt du diélectrique pour ne pas endommager
cette interface, ce qui nécessite des méthodes de dépôt très "douces".
La plupart des diélectriques polymères se déposent à partir d’une solution et, pour ne pas
risquer de détruire le semi-conducteur organique sous-jacent, il faut prendre garde à ce que les
solvants du semi-conducteur et du polymère diélectrique soient parfaitement orthogonaux. Peu
de couples SCO/diélectriques polymères répondent à cette exigence. Quant aux diélectriques
inorganiques comme les oxydes, il est difficile de ne pas endommager l’interface SCO/diélectrique
lors du dépôt.
La géométrie top gate présente l’avantage d’encapsuler le semi-conducteur organique. Quelques
types de diélectriques (PMMA, Ta2 O5 ) ont été utilisés pour réaliser des TG-OFETs [32–34] avec
comme couche active le polymère poly(3-hexylthiophène) (P3HT). Il est plus aisé de réaliser des

38. Chapitre 1 : Electronique organique 24
TG à base de polymère qu’avec des petites molécules qui sont très fragiles. Les diélectriques
les plus répandus dans l’utilisation des TG sont ceux à base d’alcool [35–37] comme le polyvi-
nylphenol (PVP) ou le polyvinyl alcohol (PVA). Néanmoins, les transistors dont le diélectrique
contient des groupements OH présentent l’inconvénient d’être très instables. En effet ces grou-
pements hydroxyles peuvent se retrouver dans le diélectrique lorsque ces derniers sont dissouts
dans un solvant. Ainsi le canal se situant juste à l’interface, voit sa conduction affectée par ces
composants polaires lors d’un balayage aller-retour, ce phénomène est appelé effet d’hystérésis.
La géométrie top gate est bien adaptée pour la réalisation des ISFETs [38] (de l’anglais
"Ion Sensitive Field Effect Transistor"), des transistors à effet de champ sensibles aux ions,
le diélectrique est en contact direct avec le liquide à analyser. Les TG ont une durée de vie
plus longue que les BG car le diélectrique qui sert d’isolant, encapsule en même temps le semi-
conducteur organique et par conséquent on note un vieillissement moins rapide.
1.3 Autres composants organiques
Outre les transistors à films minces, il existe d’autres applications importantes pour matériaux
organiques, quelques unes sont présentées ci-dessous.
1.3.1 Les diodes organiques électroluminescentes
Les diodes électroluminescentes (LED) sont des dispositifs de conversion de l’électricité en lu-
mière. Ces composants utilisent des matériaux capables d’émettre de la lumière lors du passage
d’un courant électrique, appelés matériaux électroluminescents. Elles se différencient à partir
de sources lumineuses thermiques par leur capacité à convertir directement l’énergie électrique
en lumière, et ne comptent pas sur l’incandescence. Pour cette raison, ces sources lumineuses
"froides" peuvent atteindre des rendements lumineux de 100 lm/W [39]. Les molécules orga-
niques, et les polymères conjugués entre eux, peuvent être utilisés comme matériel pour LED,
qui sont alors appelés organic light-emitting diodes (OLED). Le terme OLED englobe tous les
dispositifs émettant de la lumière formés de petites molécules organiques, tandis que les diodes
fabriquées en polymère sont communément appelées PLED (polymère LED).
Les OLEDs trouvent des applications dans deux domaines principaux. Premièrement, elles
peuvent être utilisées comme sources efficaces pour l’éclairage. Dans ce cas, de grandes zones
uniformes sont impliquées. Mais l’application la plus intéressante est les écrans. Les afficheurs
OLED offrent plusieurs avantages par rapport à la technologie dominante à cristaux liquides
(LCD).

39. Chapitre 1 : Electronique organique 25
La consommation électrique : les pixels émettent de la lumière et de ce fait n’ont pas besoin
de rétro-éclairage. Puisque les diodes sont utilisées uniquement lorsque la puissance d’émission
est nécessaire, l’écran consomme moins d’énergie.
Luminosité : la luminosité atteinte avec des pixels OLED est supérieure à celle des LCD. De
plus, le contraste est grandement amélioré, les pixels sont éteints pour le noir et ne présente
aucune trace de rétro-éclairage résiduel.
L’épaisseur : comme aucun rétro-éclairage est nécessaire, la couche active a une épaisseur totale
de l’ordre de moins d’un micromètre et les écrans peuvent être très minces. L’épaisseur réelle de
l’appareil est déterminée par le substrat et les couches d’encapsulation, et non par les couches
actives.
Flexibilité : l’utilisation de matériaux polymères pour les couches actives et le substrat permet
de construire des écrans flexibles, ouvrant de nouvelles possibilités d’applications, par exemple
les affichages pliables ou enroulables.
Les mêmes avantages que pour les transistors organiques sur le coût, l’épaisseur et la flexibilité
s’appliquent sur les OLED. Le premier transfert fonctionnel d’un pixel OLED avec la technique
LIFT a été démontré récemment par un laboratoire suisse à travers la thèse de Romain Fardel,
2009 [40]. Des pixels composés d’aluminium et d’un polymère luminescent MEH-PPV (poly[2-
methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]) ont été transférés à l’aide d’un laser impul-
sionnel nanoseconde et ont révélé des caractéristiques similaires en terme de spectre d’émission et
de luminescence que des composants fabriqués par des techniques conventionnelles. Pour réaliser
cette impression, l’ajout d’une couche sacrificielle a dû être employée, nous détaillerons cette
technique d’optimisation dans le chapitre suivant. L’utilisation d’un polymère triazene comme
couche sacrificielle a permis d’améliorer la stabilité mécanique des matériaux lors du transfert et
d’assurer leur protection des effets destructeurs induits par le laser. A présent, d’autres groupes
de recherche se sont concentrés sur l’impression laser de molécules organiques luminescentes [41].
1.3.2 Les cellules solaires
Une cellule solaire, ou cellule photovoltaïque, est un dispositif qui convertit la lumière en
électricité. L’architecture d’une cellule solaire est similaire à celle d’une diode électroluminses-
cente, sauf que le principe de fonctionnement est inversé. Un photon est capturé dans la couche
absorbante et crée un exciton, par la promotion d’un électron dans la bande LUMO et en laissant
un trou dans la HOMO. L’exciton est retiré à l’interface organique et transporté à l’anode et la
cathode par un processus de dérive et de diffusion. La charge est ensuite injectée dans le circuit
extérieur et la cellule produit du courant.

40. Chapitre 1 : Electronique organique 26
L’utilisation des matériaux organiques pour des applications photovoltaïques a été étudiée
de manière intensive durant les vingt dernières années. Faute d’une approche innovante, ces
premières études ont buté sur de faibles rendements de conversion des matériaux. La recherche
dans ce domaine connaît un nouvel essor depuis quelques années grâce aux progrès récents des
afficheurs électroluminescents et, d’autre part, par la découverte de matériaux innovants ainsi
que par la mise en oeuvre de nouveaux types de jonctions.
De nombreux avantages sont envisagés quant à la fabrication de cellules photovoltaïques
à base de matériaux organiques. L’utilisation de ce genre de matériaux offre une facilité de
fabrication et de manipulation, la possibilité de réaliser des cellules sur des substrats flexibles,
un poids faible des composants [42] et un bas coût de production.
Si le marché des cellules photovoltaïques est aujourd’hui dominé à plus de 90 % par le
silicium multicristallin, les composites organique/inorganique sont appelés à s’imposer là où les
technologies du silicium et, plus largement, de l’inorganique sont mal positionnées.
1.3.3 Les micro-batteries organiques
Les technologies Lithium-ion présentent actuellement les performances électriques les plus
élevées, en effet, s’y allient les densités d’énergie volumique et massique, une grande cyclabilité,
l’autodécharge la plus faible possible, mais aussi une grande modularité de propriétés allant de la
batterie de puissance (régime élevé) à la batterie de stockage (faible à modéré). Cette technologie
Li-ion continue donc à susciter un grand intérêt dans de nouveaux domaines d’applications. Mais
cela exige d’allier son intégration dans des géométries complexes imposées selon l’emploi auquel
elle est vouée à de nouvelles contraintes environnementales (les températures élevées comme
basses, les vibrations, la flexibilité, le vide ...). Or, dans la plupart des cas, les accumulateurs
Lithium-ion commerciaux sont réalisés dans la même filière technologique (graphite/LiCoO2), et
déclinés sous format cylindrique, prismatique, pile bouton ou pile bâton dans les formats les plus
petits mais ne répondent pas à ces nouveaux besoins. Les obstacles technologiques majeurs en
matière de batteries miniatures tiennent autant à l’architecture interne de la batterie miniature
qu’à la configuration du coeur électrochimique. Comme évoqué précédemment, le principal défi
consiste à répondre à des exigences à la fois physiques et technologiques très poussées, tout cela à
l’échelle micrométrique. La conception d’une géométrie de batterie "atypique" allant d’une forme
extra-plate, en film souple et flexible, à un élément rigide pouvant intégrer à la fois des parties
courbes et des parties droites, d’une taille allant de moins de 1 cm3 à 400 cm3 , d’une capacité
de quelques miliampères-heure (Ah) à 10 Ah.