La fabrication de la prochaine génération d’objets électroniques portables et flexibles reposera sur le développement d'une électronique à faible coût et à haute performance utilisant des films semi-conducteurs organiques. L’optimisation des processus pour les fabriquer nécessite de comprendre comment la chimie des surfaces affecte la croissance de ces films.
Des chercheurs de l'Université d'Ottawa ont caractérisé des films minces de bis(pentafluorophénoxy) phtalocyanine de silicium (F10-SiPc), un semi-conducteur organique prometteur, sur une gamme de surfaces variées pour comprendre comment la chimie de surface affecte les propriétés du film et du dispositif ainsi produits. La diffusion de rayons X aux grands angles en incidence rasante (GIWAXS) mise en œuvre sur SIRIUS a permis d’étudier l'orientation moléculaire du F10-SiPc dans les films.
Les chercheurs de l'Université d'Ottawa travaillent à l’optimisation des transistors organiques en couches minces* (en anglais : « organic thin-film transistors », OTFT) à base de F10-SiPc. En modifiant le substrat, la texture du film semi-conducteur de F10-SiPc peut être contrôlée par ses interactions avec la surface du substrat sur lequel il est déposé. Ces interactions dépendent du groupement chimique terminal des molécules décorant le substrat, ainsi que de l'énergie de surface qui dicte l'attraction entre les molécules de F10-SiPc et la surface du substrat. Dans ce travail les molécules utilisées pour générer des surfaces fonctionnelles sont des silanes, des molécules linéaires qui se lient chimiquement à la surface (molécules 1 à 4 de la figure 1), et le para-sexiphényle (p-6P, molécule 5 de la figure 1), évaporé sous la forme d'une couche ultra-mince qui sert de modèle pour le semi-conducteur organique (figure 1).
Bien que des études antérieures aient optimisé les OTFT à base de SiPc en utilisant des silanes, l'effet des différentes surfaces fonctionnelles sur la texture des films et sur les performances des dispositifs qui en résultent n'est pas bien compris dans ces matériaux. Les études décrites ici explorent les propriétés de surfaces fonctionnelles composées de silanes de différentes longueurs et aux groupements chimiques terminaux variés, ainsi que l'utilisation de p-6P. Ce travail précise, en particulier, l'impact de ces surfaces sur la croissance et la texture des films de F10-SiPc, ainsi que la cristallinité de ces films et la taille des cristaux qui les composent.
Figure 1. Schéma d'un transistor organique en couches minces, structure des couches minces (monocouches) organiques auto-assemblées (SAM) utilisées pour modifier la surface (1 : OTS ; 5 : p-6P) et structure du semi-conducteur organique F10-SiPc.
Mesures GIWAXS sur SIRIUS
Sur la ligne de lumière SIRIUS, la diffusion des rayons X à grand angle en incidence rasante (GIWAXS) a été réalisée sur des films de F10-SiPc évaporés sur cinq types de monocouches différentes déposées sur des plaquettes d'oxyde de silicium. Les échantillons ont été préparés en modifiant le substrat avec la couche matricielle, suivie par l'évaporation de F10-SiPc par dépôt physique en phase vapeur.
Il est important de comprendre l'orientation du F10-SiPc dans le film pour optimiser les performances des OTFT. La technique de GIWAXS a permis de déterminer si les molécules de F10-SiPc déposées avaient une orientation « face-on » par rapport à la surface du substrat : cela signifie que la partie cyclique du F10-SiPc est parallèle au substrat (figure 2), ou une orientation « edge-on » avec le cycle perpendiculaire au substrat. Dans les OTFT classiques les charges électriques sautent entre les cycles, ce qui signifie qu'une orientation edge-on est préférable pour améliorer les performances du dispositif.
Les films évaporés sur du n-octyltrichlorosilane (OTS) ont produit les meilleurs OTFT car dans ce cas le F10-SiPc possède à la fois les plus grands domaines cristallins et les plus grandes zones ayant une orientation edge-on.
Le F10-SiPc sur le p-6P a donné des résultats intéressants bien que les molécules de F10-SiPc présentent un mélange d'orientations dont aucune n’est edge-on. C’est un résultat différent des autres phtalocyanines qui produisent généralement des films avec l’orientation edge-on. Les auteurs de cette étude suggèrent que les groupements chimiques volumineux du F10-SiPc jouent un rôle important dans la détermination de l'orientation moléculaire (figure 2).
Figure 2. Orientation edge-on et face-on du F10-SiPc et illustration de l'orientation moléculaire relative des domaines cristallins dans les films de F10-SiPc sur l'OTS et le p-6P.
Cette étude a démontré l'importance de prendre en compte à la fois la conception moléculaire des semi-conducteurs et la fonctionnalisation de la surface pour comprendre l’influence la chimie de surface sur la croissance des films évaporés de F10-SiPc, y compris leur texture et leurs propriétés dans les dispositifs électroniques organiques. Ces résultats éclaireront la conception de nouveaux SiPcs et de surfaces fonctionnelles afin d'optimiser les OTFT à base de SiPc.
* Un transistor en couches minces est fabriqué en déposant de fines couches de matériaux (semi-conducteurs, métaux ou isolants) sur un substrat. Ces couches ont généralement quelques nanomètres d’épaisseur.