Etude des propriétés optiques et vibrationnelles des nanocomposites organiques P3HT/Nanocarbones

Université sidi Mohamed ben Abdellah
Faculté des Sciences Dhar el Mhraz
Département De Physique
Fes
Laboratoire physique de l’état solide
Master: Physique Des Nouveaux Matériaux Et Energies Renouvelables
Exposé sous le thème : Composites
P3HT/NTC
Réalisé par:
ARBIA YASSINE
Encadré par: Pr H. Aarab
Année Universitaire 2021/2022
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PLAN
 Introduction;
 Mise en solution des composites P3HT/NTC;
 Caractérisation optique des mélanges P3HT/NTC;
 Propriétés électrique;
 Conclusion.
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Introduction
Le P3HT: définition
 Le P3HT: poly(3-hexylthiophène) est un polymère conjugué semi-conducteur de type n
(donneur d’électron), provenant de polymérisation d’hétérocycles sulfurés (𝐶4 𝐻4 𝑆).
514nm (0-2)
546nm (0-1)
600nm (0-0)
0,5
630nm
500
𝐸𝑔 = 1,9𝑒𝑉
1000
1500
Wavelength nm
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2 - Mise en solution des composites P3HT/NTC
L’efficacité des nanotubes de carbone dans les composites dépend fortement de l’homogénéité de leur
dispersion au sein des matrices afin d’optimiser les interfaces de transfert de charges
0,1 mg NTC
10 mg de P3HT
A) Solution diluée à 0,1𝑚𝑔/10𝑚𝐿 de NTC dispersés
dans le chlorobenzène.
(A)
10ml chlorobenzène
(B)
B) Solution de 10, 𝑚𝑔 de P3HT dans 10𝑚𝐿 de
chlorobenzène.
10ml chlorobenzène
Solution P3HT/NTC ( 1% en masse )
 On peut préparer plusieurs séries de solutions selon le même procédé avec plusieurs concentrations
en masse (1%; 2%; 5%).
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3-Caractérisation optique des mélanges P3HT/NTC
Figure 1: Spectres d’absorption optique du P3HT
/SWNTC avec : a)
P3HT seul;
b)
P3HT+1%NTC;
c)
P3HT+2%NTC;
d)
P3HT+5%NTC; [1]
Absorbance normalisée
 Absorption de P3HT/NTC
 L’insertion de NTC dans le P3HT entraine un
faible décalage de pics vers le rouge.
 Diminution de l’énergie de gap.
Longueur d’onde [nm]
 Par conséquent ce décalage provient très probablement de l'alignement des chaînes de
polymères sur des nanotubes de carbone.
 Augmentation de la longueur de conjugaison .
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3-Caractérisation optique des mélanges P3HT/NTC
Figure 2: Spectres de PL normalisés du P3HT
/SWNTC avec : a)
P3HT seul;
b)
P3HT+1%NTC;
c)
P3HT+2%NTC;
d)
P3HT+5%NTC;
 Energie d’excitation = 3,1eV, [2]
Intensité de PL normalisée
 PL de P3HT/NTC:
 Tous les spectres ont été normalisés à leur
intensité maximale.
 PL présente deux émissions, une au maximum
située à 1,74 eV, et un épaulement 1,90 eV.
Energie [eV]
 Lorsque la concentration de SWNT augmente dans le composite, l’intensité relative de cet
épaulement augmente.
 De plus, les spectres sont légèrement décalés vers le bleu.
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3-Caractérisation optique des mélanges P3HT/NTC
 PL de P3HT/NTC:
 Les spectres de PL de cette figure sont
obtenus dans les mêmes conditions
expérimentales afin de comparer l’intensité
de PL à différentes concentrations de
SWCNT.
Rapport 𝑰𝒙 𝑰𝟎
Figure 3: Rapport de 𝐼𝑋 𝐼0 en fonction de la
concentration de SWCNT, La ligne pointillée en rouge
est un guide pour les yeux [2]
 On observe une énorme atténuation de
l’intensité photo-émise des composites en
ajoutant des SWNT.
Concentration de SWCNT x (%)
 Ce comportement est très fortement lié à la mise en fagot des NTC dans le composite.
 Lorsque les NTCs se trouvent sous forme de fagots, il y a absence de PL.
 NTCs métallique empêchent la fluerescence.
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3-Caractérisation optique des mélanges P3HT/NTC
 PL résolu en temps de P3HT/NTC:
Figure 4: Les déclins des spectres de PL pour la
bande 0-1 en fonction de pourcentage de NTC[2]
Les excitons photo-générées créées sur les chaînes
P3HT migrent vers les SWNT et sont dissociées de
manière non radiative en charges libres à l'interface
Le P3HT seul présente un déclin très long
Lorsque la concentration de NTCs augmente
(Un ajustement monoexpo)
temps déclin très court (Bi expo).
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3-Caractérisation optique des mélanges P3HT/NTC
Tableau: indique les durées de vie radiative (𝜏𝑟 ) et non radiative (𝜏𝑛𝑟 ) calculées à partir
du référence [2].
 Les excitons photogénérées ont une durée de vie radiative beaucoup plus longue que les
durées de vie non radiatives 𝜏𝑟 (𝜏𝑟 / 𝜏𝑛𝑟 = 500), ce qui implique que les excitons
préfèrent la voie non radiative à la recombinaison.
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Propriétés électriques
La photoconductivité.

La photoconductivité est une augmentation de la conductivité électrique d’un matériau qui
se produit à la suite d’une excitation lumineuse, cette excitation conduit à la formation de paire
électron-trous supplémentaire par rapport à ce qui observé lorsque l’échantillon est placé dans
l’obscurité.
 Alors les charges créées dans la bande de conduction par illumination du matériau donnent
naissance à un courant électrique appelé photocourant ,

L’application d’une tensions aux bornes des électrodes des l’échantillon illuminé entraîne la
circulation d’un courant électrique total It donné par :
I t = Id + Ip
Id : est le courant d’obscurité.
Ip :est le photocourant
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Propriétés électriques
Figure 5: diagrammes log-log du photocourant 𝐼𝑝ℎ en fonction
de la puissance lumineuse relative (P) à températures ambiante
pour le P3HT(a) et pour P3HT/2%SWNTs(b)[2]
o La figure montre que le photocourant Ip
et la puissance incidente P suivent une loi
de puissance Iph  P
 Les NTCs favorisent le transport par sauts des porteurs des charges entre les chaines de P3HT,
 Ceci induit à une augmentation du photocourant dans les composite P3HT/NTC.
 Un comportement similaire a déjà été observé dans les composites PPV/NTC
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Propriétés électriques
 Conductivité électrique
L’ajout des nanotubes de carbone dans une matrice polymérique
donne généralement lieu à un comportement de type percolant, c’est-àdire avec l’établissement d’un chemin topologique de conduction. Il
n’est créé qu’à partir d’une certaine fraction de charges appelée seuil de
percolation. Ces seuils de percolation vont varier en fonction du
polymère utilisé, de la méthode de dispersion utilisée et du type de
nanotubes .
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Propriétés électriques
Il existe une loi de percolation qui permet de décrire le changement de
comportement autour du seuil de percolation . Cette loi correspond à la
conductivité du système.
𝝈 = 𝝈𝟎 (𝒑 − 𝒑𝒄 )𝒕
Avec 𝑝 > 𝑝𝑐
𝜎: est la conductivité de composite;
𝑝 : est le pourcentage en masse des nanotubes dans le composite
𝑝𝑐 : la concentration critique ou seuil de percolation;
t : l’exposant critique ;
𝜎0 : est une constante;
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Propriétés électriques
 Le seuil de percolation des NTC représente la concentration de NTC nécessaire pour avoir un «
chemin de NTC » qui relie l’échantillon d’un bout à l’autre
Figure 6:Représentation schématique du seuil de percolation de NTC avec à
gauche des NTC ayant une concentration en dessous du seuil de percolation et à
droite des NTC ayant une concentration au-dessus du seuil de percolation. Les NTC
en gras représentent la percolation c'est-à-dire un « chemin de NTC » qui relie
l’échantillon d’un bout à l’autre. [4]
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Propriétés électriques
(A)
(B)
Figure 7: (A) Variation de la conductivité des composites P3HT/NTC en fonction de
concentration massique des NTC, (B) 𝜎 = 𝑓(𝑝 − 𝑝𝑐 ) [3]
 le seuil de percolation (𝑝𝑐 ) à partir des mesures de conductivité en courant continu
est de pc = 0,5% en masse, 𝑡 = 3,0.
 Lorsque la concentration des NTC dépasse le seuil de percolation, la conductivité
électrique dans le composite devient important.
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Conclusion
 L’insertion de NTCs dans la matrice polymère génère une augmentation de la longueur de
conjugaison.
 Les mesures de PL stationnaire montre que l’insertion de NTCs augmente les défauts structurels.
 Les résultats de PL résolu en temps suggèrent que, à la présence de nanotubes, l’exciton choisit la
voie non radiative à la recombinaison.
 L’augmentation du photocourant dans le composite P3HT/NTC, s’explique par la séparation des
charges photoactives favorisée par les NTCs,
 Par conséquent, les propriétés photophysiques révélées dans ce travail suggèrent que, les
composites P3HT/NTC peuvent être bons candidats comme couches actives de transport de
charges dans les dispositifs de PVO.
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Références
[1] A. Bakour, et al., Photoexcitations in fully organic nanocomposites of poly(3-hexylthiophene) and multiwalled
carbon nanotubes, Materials Chemistry and Physics (2015).
[2]A. Bakour, F. Geschier , M, Baitoul, M. Mbarek., Effects of single-walled carbon nanotubes on the optical and
photoconductive properties of their composite films with region regular poly(3-hexylthiophene), , Materials
Chemistry and Physics (2014).
[3] Raushan B. Koizhaiganova, Hee Jin Kim, T. Vasudevan, and Mu Sang Lee., Electrical and Optical Properties of
Conducting Poly(3-hexylthiophene)/Multi-walled Carbon Nanotube System, International Journal of Polymeric
Material (2009).
[4] Thése Léa Darchy , « Nanotubes de carbones semi-conducteurs pour cellules solaires
organiques » 2013.
Merci de votre attention
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