Matériaux organiques semiconducteurs originaux pour la conversion de l’énergie:réalisation de diodes organiques souples pour application à la récupération d’énergie éle

Résumé du projet de thèse

Ce projet de thèse a pour objet d’étudier les systèmes souples de récupération d’énergie électromagnétique à base de matériaux semi-conducteurs organiques. Ces matériaux intelligents peuvent répondre à différentes sollicitations extérieures : température, lumière, champ magnétique ou électrique, et peuvent être mis en forme en films minces avec un ordre moléculaire contrôlé par la température et/ou par des couches moléculaires auto-assemblées (SAM) sur une surface. Cet ordre moléculaire étant un facteur déterminant pour les performances des dispositifs électroniques organiques.
Cette thèse sera menée au laboratoire UDSMM et en collaboration avec l’IEMN (Université de LILLE) et comportera plusieurs briques : 1) La caractérisation physique et mise en forme des couches actives des matériaux organiques pour la diode de rectification 2) Le choix de l’architecture et le design de la diode permettant d’atteindre les fréquences de fonctionnement visées 3) la fabrication de diodes organiques en environnement salle blanche au sein de la plateforme technologique de l’IEMN (lithographie, dépôts en solution et par évaporation sous vide, gravure sèche/humide, traitement de surface…), 4) les caractérisations morphologiques des matériaux en films minces par différentes méthodes de microscopies : optique, électronique et champ-proche, 5) caractérisations électriques et radiofréquences des composants réalisés.

Thématiques Domaine

Les travaux programmés dans le cadre de cette thèse permettront de disposer d’un système souple et efficace en récupération d’énergie avec des rendements plus importants. Il permettra de lever certains verrous scientifiques (notamment la montée en fréquence des dispositifs organiques) et technologiques (intégration des briques de base du récupérateur d’énergie dans le substrat souple). On utilisera par ailleurs, pour la réalisation des supports souples de ces dispositifs électroniques, des composés polymères organiques biocompatibles respectueux de l’environnement. Le projet s’inscrit dans la thématique « Efficacité énergétique décarbonée », ainsi que dans le cadre de la Stratégie Régionale Recherche Innovation, dans la thématique 'Nouvelles fonctionnalités de matériaux'. Il est aussi pleinement inscrit dans le cadre du projet CPER MANIFEST porté par l’ALLIANCE A2U pour la partie « Matériaux fonctionnels pour le stockage et la conversion de l’énergie »
Ce projet de thèse s’articule autour de la récupération et la conversion de l’énergie électromagnétique. C’est une source qui possède de nombreux atouts tant sur le plan environnemental qu’économique : elle est gratuite, abondante et inépuisable. Les travaux visent à développer des systèmes de récupération d’énergie électromagnétique ambiante issus d’émetteurs divers (TV, GSM, Wi-Fi, etc) et par conséquent améliorer l’autonomie énergétique des dispositifs électroniques comme les objets communicants. La rectenna, système permettant cette conversion, est formée d’une antenne de réception des ondes reliée à un système de conversion RF/DC. Ces différents éléments doivent être optimisés afin de maximiser l’énergie récupérée. Dans ce projet, on s’intéresse à l’amélioration de l’un des éléments de base de la rectenna à savoir le redresseur constitué d’une diode organique rectifiante. Pour leurs propriétés intéressantes de flexibilité, faible coût et facilité de dépôt, les diodes organiques seront réalisées de manière à augmenter la fréquence de fonctionnement et diminuer la tension seuil.

Objectif et contexte

L’objectif de cette thèse est l’étude et l’optimisation de l’un des éléments de base de la rectenna, à savoir le redresseur constitué d’une diode organique. Les diodes organiques peuvent être réalisées sur un substrat rigide ou flexible. Les matériaux organiques qui possèdent de bonnes propriétés de transport seront utilisés, ainsi que différentes architectures de diodes (séries ou parallèles à simple diode, ou des topologies doubleur ou multi-diodes, Cockcroft...). Les principaux challenges à relever sont : la diminution des tensions seuil des diodes, la montée en fréquence et l’intégration dans différents substrats souples de différentes natures (matériaux plastiques, textiles, etc..). L’augmentation du rendement de conversion permettra de remédier à la problématique des faibles niveaux RF disponibles dans les bandes de fréquence GSM (≈900Mhz), et WiFi (2.4 et 5 GHz).
Avec les avancées technologiques et l’augmentation des objets connectés, se pose le problème de leur autonomie et la prise en compte de la transition éco-énergétique. Ces objets doivent être alimentés par des systèmes embarqués de stockage d’énergie. Cependant, la fréquence et le coût de la maintenance, la toxicité́ des éléments constituant les batteries, et le poids et l’encombrement du système global peuvent présenter un frein à leur développement. Une solution pour résoudre cette problématique est l'utilisation d’une micro-source d’énergie ambiante (vibration, rayonnement lumineux, gradient thermique, etc…) naturellement dissipée dans l’environnement du système à alimenter. La rectenna, système permettant cette conversion, est formée d’une antenne de réception des ondes reliée à un système de conversion RF/DC. Ces différents éléments doivent être optimisés afin de maximiser l’énergie récupérée.

Résultats attendus

L’utilisation des matériaux cristaux liquides pour les dispositifs de récupération d’énergie est très peu citée dans la littérature. Les travaux réalisés dans le cadre du projet pourront ouvrir la voie à des matériaux hautement orientables pour les applications en composants diodes de redressement. L’orientation des cristaux liquides, par des processus thermiques ou à l’aide de l’utilisation de molécules auto-assemblées, permettra d’augmenter les performances de ces matériaux en termes de mobilité de transport des charges et donc des fréquences pouvant être atteintes par la diode.
Ces diodes à base de polymères cristaux liquides sont souples et peuvent être intégrées à tout support flexible et ce avec des processus basse température. Leur intégration dans des rectennas souples et confortables sur n’importe quelle forme de surface, donnera lieu à de nombreuses applications notamment l’alimentation de capteurs ou d’objets communicants.
L’augmentation des fréquences de travail est déterminante pour l’utilisation en récupérateur d’énergie d’ondes électromagnétiques des systèmes GSM et WiFi.

Conditions scientifiques matérielles (conditions de sécurité spécifiques)
et financières du projet de recherches

Le doctorant pourra bénéficier des dispositifs de caractérisation disponibles à l'UDSMM indispensables à la réalisation de l'étude :
- Techniques de dépôt de films minces
- techniques de caractérisation électriques (station de mesure sous pointes, Dispositif effet Hall, mesure de conductivité électrique,...)

Il disposera également de différentes techniques de caractérisation des films déposés disponibles à l'UDSMM (MEB, AFM,...) pour apporter des compléments d'informations sur la morphologie et les propriétés physiques des matériaux étudiés.

Objectifs de valorisation des travaux de recherche du doctorant : diffusion,
publication et confidentialité, droit à la propriété intellectuelle,...

Les résultats attendus seront publiés dans les journaux de rang A et conférences scientifiques du domaine et notamment les revues de sciences ouvertes.

Collaborations envisagées

Les travaux de thèse seront réalisés en collaboration avec le Professeur Kamal LMIMOUNI de l'IEMN (Université de Lille).

Références bibliographiques

[1] K. Loganathan, A-D. Scaccabarozzi, H. Faber, F. Ferrai, Z. Bizak, E. Yengel, D-R. Naphade, M. Cedda, Q. He, O. Solomeshch, B. Adilbekova, E. Yarali, L. Tsetseris, K-N. Salama, M. Heeney, N. Tessler & T-D. Anthopoulos, «14 GHz Schottky Diodes Using a p-Doped Organic Polymer », Adv. Mater, 2022, 2108524.
[2] D. Im, H. Moon, M. Shin, J. Kim, S. Yoo, «Towards gigahertz operation: ultrafast low turn-on organic diodes and rectifiers based on C60 and tungsten oxide », Adv. Mater, 2011, 644-648.
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[4] K. Ferchichi, S. Pecqueur, D. Guerin, R. Bourguiga, K. Lmimouni, , «Organic doped diode rectifier based on parylene-electronic beam lithogrpahy process for radio frequency applications». Organic electronics, 2021,106266.
[5] K. Ferchichi, R. Bourguiga, K. Lmimouni, S. Pecqueur, «Concentration-control in all-solution processed semiconducting polymer doping and high conductivity performances». Synthetic Metals, 2020, 116352.
[6] K. Ferchichi, S. Pecqueur, D. Guerin, R. Bourguiga, K. Lmimouni , «High rectification ratio in polymer diode rectifier through interface engineering with self-assembled monolayer». Electron.Mater, 2021, 445-453.
[7] K. Kondratenko, D. P. Singh, Y. Boussoualem, R. Douali, C. Legrand and A. Daoudi, «Hole transporting properties of discotic liquid-crystalline semiconductor confined in calamitic UV-crosslinked gel», J. Of Mol. Liq., 276 (2019), 27-31.
[8] K. Kondratenko, Y. Boussoualem, D. P. Singh, R. Visvanathan, A. E. Duncan, N. A. Clark,C. Legrand and A. Daoudi, «Molecular p-doping in organic liquid crystalline semiconductors: influence of the charge transfer complex on the properties of mesophase and bulk charge transport», Phys. Chem. Chem. Phys., 21 (2019), 18686-18698.
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[10] A. Shah, D. P. Singh, B. Duponchel, F. Krasisnski, A. Daoudi, S. Kumar, and R. Douali, «Molecular ordering dependent charge transport in π-stacked triphenylene based discotic liquid crystals and its correlation with dielectric properties» J. Of Mol. Liq., 342 (2021), 117353.

- Le laboratoire UDSMM développe depuis longtemps des thématiques de recherche sur l’élaboration et
la caractérisation de matériaux ayant des applications en électronique. Depuis quelques années, des
travaux de recherches sont orientés vers des applications dans le domaine de l’électronique organique,
en particulier les cellules solaires et les phototransistors organiques à effet de champs. Ces travaux
concernent deux volets : le développement de nouvelles techniques de caractérisation pour l’étude des
phénomènes de transport de charges dans les semi-conducteurs organiques et l’étude de nouveaux
matériaux à base de cristaux liquides pour des applications en électronique organique.
- Le laboratoire IEMN : La plateforme technologique de l’IEMN (Institut d’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie) dispose d’une salle blanche ainsi que des moyens adéquats pour la réalisation et la caractérisation des diodes organiques de redressement ainsi que pour la partie fabrication des antennes. D'autres équipements dédiés aux procédés de passivation de surface et de gravure plasma seront éventuellement utilisés. La réalisation des dispositifs organiques sera effectuée principalement par des méthodes de lithographie douce et dans une moindre mesure par des lithographies optiques et électroniques. Cette partie sera assurée en collaboration avec deux équipes de l’IEMN : L’équipe NCM « Nanostructures et composants moléculaires » (https://www.iemn.fr/la-recherche/les-groupes/groupe-ncm)

Le candidat(e) en thèse devra être d'un Master 2 ou équivalent en sciences et Génie des Matériaux, ou en lien avec la matière dense. Il (elle) doit aussi disposer de solides bases en instrumentation scientifique liées à la caractérisation des matériaux.

Niveau de français requis: Avancé: Vous pouvez parler la langue de manière plus complexe, spontanée et sur des sujets variés.

Niveau d'anglais requis: Avancé: Vous pouvez parler la langue de manière plus complexe, spontanée et sur des sujets variés.