Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de sciences et génie des matériaux, Institut des matériaux IMX (Laboratoire d'optoélectronique des matériaux moléculaires LOMM)

De l'effet de la polarisation électronique sur le transport de charge dans les semi-conducteurs moléculaires

Picon, Jean-David ; Zuppiroli, Libero (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3661.

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    Summary
    This work aims at a better understanding of transport mechanisms which take place in organic semiconductors such as pentacene. More accurately, we believe that the electronic polarization plays a leading part, which we try to identify in the particular case of the acenes. These semiconductors are very polarisable molecules that can crystalise easily enough into ordered structures. Moreover, there is quite an important transfer integral between neighbouring molecules, which is very uncommon for such an organic. After some general remarks regarding quantum transport in chapter 1, we present the main features of this family of semiconductors (chapter 2). The question that arises then is : how the characteristic properties of the acenes can influence the ground state of the charge carrier in the cristal (chapter 3)? In order to build this ground state, we take into account the electronic polarisability and the coupling to the lattice, which dress the charge with a cloud of polarization and a cloud of phonons, and also the overlap and the thermal disorder. The time scales related to these different phenomenons play an essential part. By comparig them with the characteristic time of transfer between molecules, we classify those phenomenons into slow and fast effects. The fast ones characterize the effective mass of the charge carrier, whereas the slow ones determine the localization of the charge in a more or less disordered crystal. We will see that the slowest of these effects act in the same way as the static disorder and are able to induce electronic localization. Then comes a quantitative survey of the electronic polaron (chapter 4). We show that, on the one hand, electronic polaron leads to a renormalisation of the transfer integral whereas, on the other hand, it amplifies the low geometric disorder. We finally achieve a modelisation of the system by an Anderson hamiltonian, in which the energetic disorder –of which we study the statistic distribution– is the translation of the former geometric one. Before the quantitative study of the eigenstates of this hamiltonian, we take a glance at the different models already developped in order to understand the experimental data from organic semiconductors (chapter 5). There is one important feature which is rarely well taken into account : slow disorder. Yet, such a disorder can disturb the building of the Bloch states and thus lead to electronic localization that we study quantitatively (chapter 6). Finally, we gather both the fast and slow effects in a single picture : a model providing an expression of mobility according to the microscopic parameters (chapter 7). As a conclusion, we take a further step towards the devices. We leave the bulk out to consider a charge in the canal of a transistor, i. e. layers of pentacene on a dielectric medium, in order to take into account the interface effects (chapter 8).
    Résumé
    Ce travail s'inscrit dans le projet visant la compréhension des mécanismes de transport à l'oeuvre dans les semi-conducteurs organiques tels que le pentacène. Au coeur de notre tâche se trouve plus particulièrement le rôle de la polarisation électronique, un rôle que nous croyons central et que nous cherchons à clarifier. Pour ce faire, nous avons choisi la famille des acènes comme représentants de la classe des semi-conducteurs organiques. Ces matériaux sont constitués par des molécules très polarisables qui, fait remarquable pour un organique, s'organisent assez facilement en des structures cristallines ordonnées. Et contrairement aux polymères conducteurs, il existe dans ces matériaux une intégrale de transfert assez importante pour permettre à une charge de passer d'une molécule à sa voisine sans trop de difficultés. Après quelques remarques générales sur le transport quantique (chapitre 1), nous présentons les propriétés caractéristiques de cette famille de semi-conducteurs (chapitre 2). La question qui se pose alors est la suivante : que se passe-t-il lorsque l'on ajoute une charge dans un cristal d'acène? Autrement dit, comment les caractéristiques si particulières de ces semiconducteurs influencent-elles l'état fondamental de la charge (chapitre 3)? C'est ici qu'entrent en jeu la polarisation électronique et le couplage au réseau, qui vont habiller la charge d'un nuage de polarisation et de phonons, ainsi que le recouvrement et le désordre thermique. Les échelles de temps associées à ces différents phénomènes jouent un rôle fondamental. En les comparant avec le temps caractéristique de transfert entre molécules, nous classerons ces derniers en phénomènes lents ou rapides, les effets rapides caractérisant la masse effective de la particule alors que les effets lents déterminent le niveau de localisation de la charge dans le réseau plus ou moins désordonné. Nous verrons que les plus lents jouent en réalité le même rôle qu'un désordre statique et sont capables de conduire à la localisation électronique. Vient ensuite l'étude quantitative du polaron électronique (chapitre 4) dans laquelle nous montrons que, en plus d'être l'effet rapide présenté au chapitre 3, le polaron électronique a un rôle d'amplificateur du désordre géométrique lent. À la fin du chapitre, nous obtenons une description du système par un hamiltonien de Anderson, dans lequel le désordre géométrique moléculaire se traduit par un désordre énergétique, désordre dont nous avons complètement caractérisé la distribution statistique. Avant l'étude de cet hamiltonien (chapitre 6), nous passons en revue les différents modèles élaborés jusqu'ici pour essayer de rendre compte du transport dans les semi-conducteurs organiques (chapitre 5). Une composante clef, absente dans la plupart de ces modèles, est le traitement correct des effets lents. En plus des effets rapides vus dans les chapitres 3 et 4, l'existence d'un désordre énergétique lent peut effectivement fortement modifier l'état de la charge. En brisant la périodicité du réseau, ce désordre lent perturbe la construction des états étendus : c'est le phénomène de localisation électronique, qui fait l'objet d'une étude quantitative (chapitre 6). Pour finir, après avoir pris en compte les effets rapides (chapitres 3 et 4) et les effets lents (chapitre 6), nous sommes en mesure de conclure cette étude dans le cristal d'acène en regroupant tous ces résultats en un seul modèle (chapitre 7). En guise de conclusion et d'ouverture, nous faisons un pas de plus qui nous rapproche des dispositifs optoélectroniques. Nous étudions les modifications que suppose le passage d'un cristal infini, tel que nous l'avons considéré tout au long de cette étude, au canal d'un transistor, en prenant en compte les effets d'interface.