polarons dans un organ - Laboratoire Matériaux et Phénomènes

Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles
M2 Concepts Fondamentaux de la Physique
Spécialité Matière Condensée
Effet d’un champ électrique : polarons dans un organique,
effet piézoélectrique dans un multiferroïque
David Malka
Maître de Stage : Maximilien Cazayous
Responsable de Stage : Alain Sacuto
Matériaux et Phénomènes
Quantiques UMR 7162
Ecole Supérieure de Physique et
de Chimie Industrielles

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REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier toutes les personnes qui ont rendu possible et agréable ce stage.
Je veux remercier Nicole Bontemps pour m’avoir accueilli dans son laboratoire et Alain
Sacuto pour m’avoir intégré dans son équipe le temps de ce stage.
Je veux remercier mon maître de stage Maximilien Cazayous pour sa patience, sa
disponibilité et ses nombreuses explications.
Mes profonds remerciements vont aussi à Delphine Lebeugle et Dorothée Colson qui nous ont
permis de travailler sur leurs échantillons alors que leur synthèse reste encore une première.
Je veux remercier également William Guyard grâce à qui le spectromètre n’a (presque) plus
de secret pour moi.
Je tiens à remercier très chaleureusement Anne Anthore et Aurore Mangin pour la réalisation
des transistors à effet de champ et Gilles Horowitz pour les conseils qu’il m’a prodigué
concernant le dépôt des molécules organiques.
Merci également à tous les doctorants et stagiaires du thésarium sans qui l’ambiance de
travail n’aurait pas été aussi chaleureuse. Enfin merci à tous les autres chercheurs du
laboratoire : Andreas, Ricardo, Alexandre, Yann, Arlette, Philippe…

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SOMMAIRE
I INTRODUCTION 4
II DIFFUSION ET SPECTROSCOPIE RAMAN 6
2.1 LA DIFFUSION RAMAN
2.1.1 Description classique
2.1.2 Les phonons mis en jeu
2.1.3 Règles de sélection Raman dans une description classique
2.1.4 Brève description quantique
2.2 SPECTROSCOPIE RAMAN
III ÉTUDE D’UN TRANSISTOR A EFFET DE
CHAMP À BASE DE SEXITHIOPHENE 13
3.1 LES EXCITATIONS DANS LES CRISTAUX
MOLECULAIRES
3.2 TRANSPORT DANS LES CRISTAUX
MOLECULAIRES
3.3 RÉALISATION D’UN OFET
3.3.1 Le substrat de base
3.3.2 L’évaporation de l’organique
3.3.3 Les caractéristiques obtenues
3.3.4 Le contactage des transistors

4
3.4 SPECTROSCOPIE DES OFET : ÉTUDE DES
POLARONS
3.4.1 Les expériences réalisées
3.4.2 Résultats
3.4.3 Perspectives
IV ÉTUDE D’UN MULTIFERROÏQUE : BiFeO3 25
4.1 PROPRIÉTÉS DE BiFeO3
4.2 ETUDE EXPERIMENTALE
4.2.1 Les phonons du BiFeO3
4.2.2 Etude de la piézoélectricité
4.2.3 Recherche du double magnon
V CONCLUSION 32
REFERENCES 33

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I INTRODUCTION
Le travail présenté dans ce rapport a porté sur deux thèmes qui seront traités
séparément : l’étude des polarons dans les transistors à effet de champ et l’exploration des
propriétés vibrationnelles des multiferroïques.
L’industrie microélectronique ne s’intéresse plus seulement aux semi-conducteurs
standards (Si, Ge, SiC…) mais aussi aux semi-conducteurs organiques. L’objectif de ces
derniers n’est pas de concurrencer les semi-conducteurs standards dans leurs
domaines classiques d’applications: la conductivité des organiques est en effet très inférieure
à celle des inorganiques, mais d’apporter une alternative. Les organiques sont peu chers, très
modulables et facilement intégrables à d’autres systèmes. Ils sont aujourd’hui le fruit
d’importantes recherches d’un point de vue fondamental et applicatif. Pour améliorer les
propriétés de transport on peut doper les matériaux organiques de deux manières différentes :
soit chimiquement, soit en appliquant un champ électrique via un transistor à effet de champ.
Cette dernière technique présente l’avantage d’être réversible et non invasive. D’un point de
vue fondamental, il est également nécessaire de comprendre la nature du transport dans ces
matériaux. En effet, il n’est pas encore établi si ce transport est un transport de bande ou
assisté par phonons. La dernière interprétation est actuellement la plus favorisée. Notre but est
d’apporter au travers de la diffusion inélastique de la lumière des informations sur
l’interaction entre les charges et les vibrations des molécules. La détection de polarons
permettrait de remonter au terme de couplage entre les deux et ainsi contribuer à la
compréhension des phénomènes de transport dans les matériaux organiques. Nous avons tout
d’abord élaboré des transistors à effet de champ avec des épaisseurs d’organique de quelques
monocouches présentant des caractéristiques de transport très proche de celles obtenues dans
la littérature. Par la suite nous avons mené à bien plusieurs mesures qui n’ont pas permis pour
l’instant de détecter la présence de polarons.
La deuxième partie de ce travail a été consacrée à l’étude des multiferroïques en
particulier BiFeO3. Les multiferroïques présentent simultanément des propriétés magnétiques
et ferroélectriques et font l’objet d’un regain d’intérêt dû non seulement à l’aspect
fondamental de la coexistence des deux phases en apparence antagonistes, mais aussi à leur
potentiel d’utilisation dans des dispositifs de l’électronique de spin. Récemment, il a été
démontré que les deux paramètres d’ordre sont couplés et donc que l’application d’un champ
électrique peut affecter l’état magnétique du système. Sur le plan fondamental, il est très
intéressant de tenter de comprendre les interactions mises en jeu. Dans le but d’observer