Thèse CD - Etude à l'Échelle Moléculaire des Mécanismes de Dopage des Semiconducteurs Organiques H/F

Université de Lorraine

Établissement : Université de Lorraine
École doctorale : C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE
Laboratoire de recherche : IJL - INSTITUT JEAN LAMOUR
Direction de la thèse : Bertrand KIERREN ORCID 0000000196088841
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-17T23:59:59

Le dopage des semiconducteurs organiques constitue une étape clé pour contrôler et optimiser leurs propriétés électroniques, et ainsi améliorer les performances des dispositifs optoélectroniques tels que les transistors organiques, les cellules photovoltaïques ou encore les diodes électroluminescentes. Contrairement aux semiconducteurs inorganiques, où le dopage repose principalement sur la substitution atomique dans le réseau cristallin, le dopage des matériaux organiques s'appuie sur des mécanismes d'interaction moléculaire, incluant le transfert de charge et l'hybridation électronique à l'interface entre le semiconducteur et la molécule dopante. L'efficacité des dopants est fortement influencée par leur nature chimique ainsi que par leur niveau de distribution aux interfaces donneur/accepteur (D/A) [1]. La compréhension fine de ces mécanismes, en particulier à l'échelle moléculaire, représente aujourd'hui un enjeu majeur pour le développement de matériaux plus performants, stables et durables, ouvrant la voie à une ingénierie électronique précise des systèmes organiques.

Ce sujet de thèse vise à caractériser, à l'échelle moléculaire, les interactions à l'interface D/A afin d'obtenir une compréhension approfondie des mécanismes de dopage des semiconducteurs organiques. Pour cela, des molécules soigneusement choisies seront déposées sous ultravide (UHV) sur différents types de substrats (métalliques, semiconducteurs, isolants, ...) par évaporation thermique et/ou par l'électrospray - une méthode innovante permettant le dépôt de molécules depuis la phase liquide vers la phase gazeuse, particulièrement adaptée aux macromolécules non volatiles [2]. La structure à l'échelle sub-moléculaire du mélange D/A sera étudiée par microscopie à effet tunnel (STM) [3], et l'alignement des niveaux d'énergie à l'interface D/A sera caractérisé par spectroscopie à effet tunnel (STS) [4,5]. Ces mesures locales seront corrélées à des mesures de photoémission induites par rayons X (XPS) pour identifier l'environnement chimique des semiconducteurs et des dopants, de spectrométrie photoélectronique UV (UPS) pour caractériser les états électroniques de valence (HOMO occupés) et de photoémission résolue en angle (ARPES) pour déterminer la structure de bande du système D/A, réalisées à la fois au laboratoire et sur synchrotron [6].

Le développement récent des semiconducteurs organiques a mis en évidence la nécessité de maîtriser finement leurs propriétés électroniques, le dopage constituant un levier essentiel pour leur optimisation. Ce sujet de thèse vise à élucider les mécanismes de dopage à l'échelle moléculaire en analysant les interactions aux interfaces donneur/accepteur. Des techniques avancées de caractérisation sous ultravide (STM/STS, XPS, UPS, ARPES) permettront d'établir une compréhension approfondie des processus de transfert de charge et de leur impact sur la structure électronique des matériaux. Ce travail contribuera au développement d'une ingénierie contrôlée des interfaces solides organiques/inorganiques, ouvrant de nouvelles perspectives pour les futures dispositifs (opto)électroniques.