Utilisation des gels ioniques pour l'étude de nanostructures semi-conductrices

Ce travail consiste à utiliser des gels ioniques pour application en tant que diélectrique dans des transistors à base de couches minces d'oxyde de tungstène synthétisés par méthode sol-gel. Les gels ioniques sont constitués d'un copolymère et d'un liquide ionique (sel fondu ayant une température de fusion en dessous de 100°C). Les gels ioniques ont été considérés dans plusieurs études, disponibles en littérature, en tant que milieu diélectrique pour des transistors à base de semiconducteurs organiques. Les gels ioniques communément utilisés pour ces études sont faits à base de deux différents copolymères, c'est-à-dire le (poly(styrène-b-méthyl métacrylate-b-styrène) (SMS) et le poly(styrène-b-oxyde d'éthylène-b-styrène) (SOS). L'objectif de cette recherche est d'élargir les connaissances concernant les transistors à base de semiconducteurs inorganiques utilisant les gels ioniques en tant que diélectrique. Plus précisément, des mesures électriques ont permis de définir les performances des transistors; des mesures optiques ont permis de connaitre les propriétés d'absorption optique des couches minces; des mesures par microscopie à force atomique (AFM) ont permis de connaître les propriétés morphologiques. Les mesures AFM ont démontré la faible rugosité des couches minces à nature mésoporeuse. Les mesures optiques et morphologiques ont mis à nus le compromis à atteindre entre la minimisation de la diffusion optique et la maximisation de l'aire de la surface du semiconducteur interfacé au gel ionique pour des applications des couches minces dans des dispositifs électrochromiques. C'est-à-dire des transistors qui changent de couleur lors de la modulation du courant. Après avoir vérifié la reproductibilité des dispositifs en caractérisant deux dispositifs identiques, deux transistors avec épaisseurs du gel différents ont été produits. La capacitance du gel n'est pas affectée par son épaisseur contrairement à la résistance. On s'attend donc que la différence d'épaisseur engendre une différente constante de temps de réponse des transistors. D'un point de vue électrochimique, la voltammétrie cyclique a été utilisée pour connaitre le comportement redox des couches minces exposées à l'ion gel. La spectroscopie d'impédance électrochimique était la technique de choix pour connaitre la capacitance des couches minces interfacés aux gels ioniques. Les mesures électriques effectuées concernent les caractéristiques de type output et transfer. Les caractéristiques output ont permis de reconnaitre le bon fonctionnement des transistors.

Abstract

This work aims at using ionic gels for application as dielectric layer in tungsten oxide based transistors synthesized by sol-gel method. Ionic gels consist of a copolymer and an ionic liquid (molten salt having a melting temperature below 100 ° C). Ionic gels have been considered in several studies, which are available in literature, as a dielectric medium for transistors based on organic semiconductors. Ionic gels commonly used for these studies are made on basis of two different copolymers, that is to say the poly(styrene-b-methyl methacrylate-b-styrene) (SMS) and poly(styrene-b-ethylene oxide-b-styrene) (SOS). The objective of this research is to expand knowledge about inorganic semiconductor based transistors using ionic gels as dielectric. Specifically, electrical measurements were used to define the performance of transistors; optical measurements made it possible to see the optical absorption properties of thin films; measures by atomic force microscopy (AFM) allowed to know the morphological properties. AFM measurements showed low roughness of mesoporous tungsten oxide thin films. Optical and morphological measurements demonstrate the compromise between minimizing the optical scattering and maximizing the surface area of the semiconductor interfaced by an ion gel for applications of thin films in electrochromic transistors. That is to say transistors which change color during the current modulation. After verification of the devices reproducibility by characterizing two identical transistors, two devices with different gel thicknesses were produced. The capacitance of the gel is not affected by its thickness unlike the resistance. It is therefore expected that the difference in thickness causes a different transistor constant response time. From an electrochemical standpoint, cyclic voltammetry was used to get the thin films redox behavior exposed to the ion gel. Electrochemical impedance spectroscopy was the technique of choice for knowing the capacitance of the thin layers interfaced to ionic gels. The electrical measurements performed concern output type characteristics and transfer. The output characteristics have allowed recognizing the proper transistors operation. The transfer characteristics were used to determine the threshold voltage and the subthreshold swing as well as the charge carrier density (by means of the displacement current).