soutenance de thèse de Thomas SANNICOLO

Mots-clés:
Matériaux transparents et conducteurs, Nanofils d’argent, Percolation

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Résumé :
L’intérêt suscité par les électrodes transparentes (TEs) concerne un large spectre de domaines technologiques, tels que les dispositifs optoélectroniques (cellules solaires, LEDs, écrans tactiles), les films chauffants transparents, ou les applications électromagnétiques. Les TEs de nouvelle génération auront à combiner à la fois un très haut niveau de conduction électrique, de transparence optique, mais aussi de flexibilité mécanique. L’oxyde d’Indium dopé Etain (ITO) domine actuellement le marché des matériaux transparents conducteurs (TCMs). Cependant, la rareté de l’Indium, combinée à ses faibles performances en flexion mécanique et ses coûts de fabrication élevés ont orienté les recherches vers des TCMs alternatifs. Les réseaux percolants de nanofils métalliques, en particulier les nanofils d’argent (AgNWs), se sont imposés comme l’une des alternatives les plus sérieuses à l’ITO, en raison de leurs propriétés physiques très attractives. Ces réseaux interconnectés offrent également la possibilité d’utiliser des méthodes de synthèse en voie chimique et d’impression bas coût, sur de grandes surfaces. De manière générale, les premières estimations concernant les coûts de fabrication sont inférieures à celles de l’ITO. De plus, grâce au très haut facteur de forme des nanofils et à la nature percolante des réseaux, les besoins en quantité de matières premières nécessaires pour atteindre un haut niveau de performance demeurent faibles.
Ce travail de thèse s’intéresse à l’étude des propriétés physiques fondamentales – inexplorées ou non encore suffisamment étudiées – des réseaux d’AgNWs, afin de mieux comprendre leurs propriétés et d’améliorer la fiabilité et la compatibilité de ces électrodes vis-à-vis des critères de performance industriels. La première partie est consacrée à l’étude des méthodes d’optimisation utilisées pour diminuer la résistance électrique des électrodes. Les mesures électriques in situ effectuées au court d’un recuit thermique et/ou après traitement chimique fournissent de précieuses informations concernant les mécanismes d’activation au niveau des jonctions entre nanofils. A l’échelle du réseau, notre capacité à distinguer les zones qui participent efficacement à la conduction électrique de celles qui seraient potentiellement inactives est un défi majeur. Pour les réseaux dont la densité en nanofils est proche du seuil de percolation, un processus d’activation discontinu de chemins efficaces de percolation à travers le réseau a pu être mis en évidence. De manière générale, l’influence de plusieurs paramètres sur l’homogénéité et la stabilité électrique et thermique des électrodes a été étudiée, à l’aide de techniques de cartographie électrique et de simulations. A tension élevée, la formation et la propagation d’une fissure à travers un réseau d’AgNWs soumis à des plateaux de tension croissants ont pu être détectées visuellement. Des modèles de simulation via les logiciels Matlab et Comsol ont aussi été construits afin de confirmer, voire anticiper, les phénomènes observés expérimentalement. Par ailleurs, encouragés par la demande croissante pour les dispositifs électroniques portatifs, des tests préliminaires ont permis d’observer le comportement des réseaux d’AgNWs sous contrainte d’étirement mécanique lorsqu’ils sont transférés sur des substrats élastiques. Ce travail de thèse a également concerné l’intégration de réseaux d’AgNWs au sein de dispositifs. Des études ont été menées afin d’améliorer la stabilité des films chauffants transparents à base d’AgNWs et de mieux appréhender les mécanismes favorisant l’émergence de défauts. L’utilisation des réseaux d’AgNWs pour des applications électromagnétiques (antennes, blindage) a également fait l’objet de tentatives préliminaires dont les résultats sont commentés à la fin du manuscrit.

Membres du jury :
Prof. Y. Bréchet SIMaP, CNRS, Grenoble INP, Grenoble (France) Président
Dr. P. Poulin CRPP, CNRS, Univ. Bordeaux, Bordeaux (France) Rapporteur
Dr. D. Vuillaume IEMN, CNRS, Univ. Lille 1, Lille (France) Rapporteur
Dr. L. Balan IS2M, CNRS, Univ. Haute-Alsace, Mulhouse (France) Examinateur
Dr. M. Creyssels MFAE/LMFA, Ecole Centrale de Lyon, Lyon (France) Examinateur
Prof. L. Flandin LEPMI, Univ. Savoie Mont-Blanc, Le Bourget-du-Lac (France) Examinateur
Dr. J.-P. Simonato CEA-Liten, Grenoble (France) Directeur de thèse
Dr. C. Celle CEA-Liten, Grenoble (France) Co-encadrante de thèse