Solution Processable Semiconductor Thin Films: Correlation Between Morphological, Structural, Optical and Charge Transport Properties

This Ph.D. thesis is a result of multidisciplinary research bringing together fundamental concepts in thin film engineering, materials science, materials processing and characterization, electrochemistry, microfabrication, and device physics. Experiments were conducted by tackling scientific problems in the field of thin films and interfaces, with the aim to correlate the morphology, crystalline structure, electronic structure of thin films with the functional properties of the films and the performances of electronic devices based thereon. Furthermore, novel strategies based on interfacial phenomena at electrolyte/thin film interfaces were explored and exploited to control the electrical conductivity of the thin films. Three main chemical systems were the object of the studies performed during this Ph.D., two types of organic semiconductors (azomethine-based oligomers and polymers and soluble pentacene derivatives) and one metal oxide semiconductor (tungsten trioxide, WO3). To explore the morphological properties of the thin films, atomic force microscopy was employed. The morphological properties were further investigated by hyperspectral fluorescence microscopy and tentatively correlated to the charge transport properties of the films. X-ray diffraction (Grazing incidence XRD, GIXRD) was used to investigate the crystallinity of the film and the effect of the heat treatment on such crystallinity, as well as to understand the molecular arrangement of the organic molecules in the thin film. The charge transport properties of the films were evaluated in thin film transistor configuration. For electrolyte gated thin film transistors, time dependent transient measurements were conducted, in parallel to more conventional transistor characterizations, to explore the specific effects played on the gating by the anion and cation constituting the electrolyte. The capacitances of the electrical double layers at the electrolyte/WO3 interface were obtained from electrochemical impedance spectroscopy. In the context of ARTICLE 1, thin film transistors based on soluble pentacene derivatives (prepared by the research group directed by Professor J. Anthony, at the University of Kentucky) were fabricated and characterized. GIXRD results performed on the thin films suggested a molecular arrangement favorable to charge transport in the source-drain direction, with the π-π

Résumé

Cette thèse de doctorat est le résultat d'un travail de recherche multidisciplinaire réunissant divers concepts fondamentaux comme l'ingénierie et la caractérisation des couches minces, l'électrochimie ainsi que la physique des dispositifs à base de couches minces semiconductrices. L'objet des expériences menées lors du travail de thèse porte sur les couches minces semiconductrices et leurs interfaces avec des matériaux électroniques ou des couches diélectriques. Le but ultime de la thèse est de mettre en corrélation la morphologie, la structure cristalline et la structure électronique des couches minces, ainsi que leurs propriétés fonctionnelles, avec le fonctionnement des dispositifs électroniques de type transistors utilisant ces mêmes couches minces en tant que matériau actif. En outre, de nouvelles stratégies fondées sur des phénomènes ayant lieu aux interfaces électrolyte/couche mince semiconductrice ont été explorées afin de contrôler la conductivité électrique au sein des couches minces. Trois principaux systèmes chimiques ont fait l'objet d'études approfondies durant cette thèse: deux types de semiconducteurs organiques (oligomère et polymères dérivés d'azométhinethiophènes et dérivés solubles de pentacène) et un semi-conducteur métal-oxyde (le trioxyde de tungstène, WO3). Dans le but d'explorer les propriétés morphologiques de couches minces à base de semiconducteurs organiques, les microscopies à force atomique et à fluorescence en mode hyperspectrale ont été employées. Grâce aux observations réalisées par ces techniques, des hypothèses de corrélation ont été formulées entre les caractéristiques morphologiques et les propriétés de transport des porteurs de charges au sein des couches minces. La diffraction par rayons X en configuration glancing angle (GIXRD, utilisant de la lumière de synchrotron) a été utilisée pour examiner la structure cristalline des couches mais aussi pour en apprendre plus sur l'organisation moléculaire au sein de ces dernières. Pour les transistors en couches minces, une configuration de type bottom contact a été choisie. Les caractéristiques de transfert et de sortie ont été utilisées pour calculer la mobilité des porteurs de charges, le voltage de seuil du dispositif ainsi que le ratio ION/IOFF.