Optically addressed light modulators using an organic photovoltaic layer Thomas Regrettier To cite this version: Thomas Regrettier. Optically addressed light modulators using an organic photovoltaic layer. Mi- cro and nanotechnologies/Microelectronics. Université de Strasbourg, 2017. English. NNT : 2017STRAD038. tel-02917964 HAL Id: tel-02917964 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02917964 Submitted on 20 Aug 2020 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. UNIVERSITÉ DE STRASBOURG ÉCOLE DOCTORALE 269 MSII Laboratoire ICube UMR 7357 THÈSE présentée par : Thomas REGRETTIER Soutenue le : 8 décembre 2017 Pour obtenir le grade de : Docteur de l’Université de Strasbourg Discipline/ Spécialité: Sciences de l'Ingénieur, Électronique et Photonique Modulateurs de lumière à commande optique composés d'une couche photovoltaïque organique Optically addressed light modulators using an organic photovoltaic layer THÈSE dirigée par : M. HEISER Thomas Professeur, Université de Strasbourg, France RAPPORTEURS: M. NEYTS Kristiaan Professor, Ghent University, Belgium M. COLSMANN Alexander Doctor, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Germany AUTRES MEMBRES DU JURY: Mme. KACZMAREK Malgosia Professor, University of Southampton, United Kingdom M. ADAM Philippe Docteur, RDS Photonique, DGA/MRIS, France M. MERY Stéphane Chargé de recherche, IPCMS (CNRS), France Science is made up of so many things that appear obvious after they are explained. Frank Herbert, Dune Acknowledgments Acknowledgments I would like to express my appreciation to all of you who make our common work together possible. This thesis is part of a collaborative work between the University of Southampton and the University of Strasbourg. The UK-France PhD programme jointly managed by DSTL and DGA funded it. Thank you for providing such opportunities. I am delighted to welcome and thank the members of my jury particularly Kristiaan Neyts and Alexander Colsmann that accept to assess this manuscript. A special thought for Malgosia Kaczmarek with whom I look forward to continuing this work. I further wish to acknowledge the notable role of Giampaolo D'Alessandro and Christopher Burgess who have a different, but most of all, very interesting and inspiring ways of reasoning. I do not forget to thank the scientific workforce of Southampton, especially Matthew Proctor who welcomed me to this magnificent city, as well as Nina Podoliak, Andrew Acreman and Elena Mavrona. I apologize to the British readers if they feel offended, but I need to move on to a more subtle and elegant language. Je tiens à remercier Philippe Adam et Stéphane Méry, membres francophones de mon jury d'avoir montré de l'intérêt pour mon travail. Je tiens surtout à exprimer ma reconnaissance aux personnes qui m'ont encadré lors de mon passage au laboratoire, en commençant par le principal instigateur de ce projet, Thomas Heiser, sans qui rien n'aurait été possible. Tu as des qualités rares pour un encadrant, tu t'imposais, malgré un emploi du temps chargé, de suivre l'avancement de mes travaux de manière hebdomadaire, afin de me donner tes conseils et tu t'es toujours rendu disponible lorsque j'en avais besoin. 1 Acknowledgments Je dois aussi remercier Patrick Lévêque d'avoir pris sur son temps et de m'avoir très bien formé lorsque j'étais stagiaire. Pour finir une course de fond, l'important, c'est de donner la bonne impulsion au départ. Dans la même idée, je tiens à exprimer toute ma reconnaissance aux enseignants qui m'ont permis d'en arriver là. Pour m'avoir intéressé à la physique des composants, je remercie les professeurs Adele Carradò et Daniel Mathiot. Sans oublier tous les autres intervenants de la licence ESA et du master MNE, Denis Muller en tête, qui est une équipe pédagogique à lui tout seul. Un grand merci à mes camarades de promotion Nicolas Bresson, Hugo Machado, Jovan Nikolic et Jérémy Schlachter, je vous souhaite ce qu'il y a de meilleur pour le futur. J'ai aussi eu la chance d'intervenir à l'IUT de Schiltigheim durant ma thèse grâce à deux de mes anciens enseignants : Denis Montaner et Gérald Ferblantier. Je vous suis reconnaissant de m'avoir donné cette opportunité. Je remercie aussi le duo de choc composé de Jérémy Bartringer et de Nicolas Zimmerman qui m'a aidé à mettre en place des bancs de mesure ainsi que le reste de l'équipe administrative et technique du laboratoire : Marina Urban, Nicolas Colin, Stéphane Roques, Sébastien Schmitt et Florent Dietrich ("Liewer met de gläser ahnstosse àls met de käpf"). J'aimerais aussi remercier l'ensemble des gens avec qui j'ai pu avoir des discussions intéressantes et qui ont pu m'aider, d'une façon ou d'une autre, à débloquer des situations qui semblaient impossibles à résoudre. Je veux bien sûr parler de Nicolas Leclerc, Caroline Eckert, Rony Bechara, Frédéric Lincker, Sadiara Fall et Laure Biniek. J'aurai toujours une pensée pour mes collègues doctorants, qui ont été, ou sont encore en thèse au laboratoire : Laurent Osberger, Abdellatif Chelouche, Nacereddine Boubiche, Octavian Maciu, Maroua Garci, Olzhas Ibraikulov, Tianyan, Imane Malass, Peter Lienerth, Rémy Claveau et Fitsum Aweke. Pour finir, je souhaite remercier ma famille, ma mère, ainsi que mes deux sœurs Pauline et Marie, qui m'ont soutenu durant cette période. 2 Acknowledgments À Sarah et à ma fille Liv : comme je n'ai jamais su exprimer mes sentiments aux gens qui comptent le plus dans ma vie, je préfère laisser ce travail aux personnes compétentes. Comme l'a si bien dit Jean d'Ormesson: "Tout le bonheur du monde est dans l'inattendu." 3 Contents Contents 1 Introduction ...................................................................................... 9 2 SCIENTIFIC BACKGROUND .................................................................... 14 2.1 Optically Addressed Spatial Light Modulators ....................................... 14 2.2 Liquid crystals .......................................................................................... 16 2.2.1 Propagation of light through a birefringent medium ...................... 16 2.2.2 Liquid crystalline state ..................................................................... 18 2.3 Alignment layer ........................................................................................ 19 2.3.1 Operating principle of LC devices ....................................................20 2.3.2 Liquid crystal devices driven by a DC field ...................................... 24 2.4 Photoconductive layer.............................................................................. 26 2.5 Organic semiconductors .......................................................................... 29 2.5.1 Overcoming the exciton high binding energy and small diffusion length in organic semiconductors ...................................................................30 2.6 Thesis in context ...................................................................................... 32 3 State of the art ................................................................................. 34 3.1 Bulk Semiconductor Crystals ................................................................... 34 3.1.1 Semi-Insulating GaAs (SI GaAs) ...................................................... 35 3.1.2 Silicon carbide (SiC) ......................................................................... 36 3.1.3 Photorefractive crystals .................................................................... 38 3.1.4 Lithium niobate (LiNbO3), a “photovoltaic substrate” .................... 38 3.2 Inorganic thin films ................................................................................ 40 3.2.1 Amorphous hydrogenated silicon .................................................... 41 3.2.2 Zinc Oxide (ZnO) .............................................................................. 42 3.3 Organic thin films .................................................................................... 43 3.3.1 PVK doped with TNF or C60 ............................................................. 44 4 Contents 3.4 Conclusion ............................................................................................... 47 4 Methods & materials ....................................................................... 48 4.1 Materials .................................................................................................. 48 4.1.1 P3HT ................................................................................................ 48 4.1.2 PC61BM ............................................................................................. 48 4.1.3 PEDOT:PSS ...................................................................................... 49 4.1.4 PEIE.................................................................................................. 50 4.1.5 E7 ....................................................................................................... 51 4.2 Organic OASLM Fabrication ................................................................... 52 4.3 Characterization