SMAEO

Systèmes moléculaires pour applications électroniques et électro-optiques

Depuis de nombreuses années, l’électronique « organique » suscite un intérêt considérable tant au niveau académique qu’industriel. Ceci est dû aux nombreux avantages présentés par les matériaux organiques : ajustement des propriétés (optiques, électroniques …) par modification de leur structure moléculaire, compatibilité avec les substrats flexibles, légèreté. L’un des aspects les plus prometteurs pour leur développement est la mise au point de procédés de fabrication à faible coût ; l’objectif à plus long terme est la création de dispositifs intégrés comprenant, par exemple, une cellule photovoltaïque, un ou plusieurs capteurs et un dispositif d’affichage sur un même substrat.
Parmi les matériaux organiques, les cristaux liquides présentent des états de la matière intermédiaires entre les états liquide et solide. Ce sont des matériaux fluides et auto-organisés pouvant présenter des ordres d’orientation et de position (structures en couches, phases colonnaires), leur conférant la propriété d’anisotropie. Ils peuvent être alignés par champ électrique, ou par effet de surface. Les cristaux liquides sont connus pour être utilisés dans les dispositifs électro-optiques et de visualisation. Plus récemment, des propriétés de transport électronique ont été mises en évidence dans les cristaux liquides dont les molécules sont allongées, discotiques ou polymères. En outre, il a été montré que les propriétés des cristaux liquides pouvaient être modifiées par l’ajout de nanoparticules de différents types : ferroélectriques, oxydes semi-conducteurs …
La mise en oeuvre des applications à base de ces matériaux nécessite la connaissance et la compréhension de leurs propriétés physico-chimiques et électronique.
C’est dans ce cadre que s’inscrivent les activités de recherche de l’équipe qui, d’une manière générale, portent sur « la caractérisation de matériaux organiques et de composites organiques/inorganiques en vue d’applications en électronique et électro-optiques ».
L’équipe profite du caractère multi-disciplinaire des enseignants-chercheurs impliqués qui sont physiciens ou électroniciens.
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L’équipe développe actuellement les 3 thèmes décrits ci-dessous :

Nano-colloïdes : influence de nano-inclusions sur les propriétés physico-chimiques et électriques des cristaux liquides

Les matériaux dits « intelligents » ou « adaptatifs » sont des systèmes capables de modifier leurs propriétés physiques en réaction à des sollicitations extérieures (champ électrique ou magnétique, flux lumineux, contrainte,…). C’est le cas des cristaux liquides (CL) connus comme étant des matériaux dont les propriétés optiques (biréfringence, rotation de l’axe optique) sont stimulables par un champ électrique modeste (~1V/mm). L’une des applications qui en découle est leur utilisation dans des dispositifs d’affichage ou comme modulateurs électro-optiques.

Beaucoup d’efforts portent actuellement sur l’étude de CL de type nématique dopés par des dispersions de nanoparticules isolantes ou conductrices, afin d’améliorer leurs propriétés (amplification des réponses électro-optiques des CL dopés et abaissement des champs seuils électrique ou magnétique (transition de Fredericks)). Le milieu cristal liquide induit des interactions, souvent de nature élastique, entre les nano-objets dispersés permettant ainsi leur auto-organisation sous forme de structures inédites (chapelets, strates,…) selon leurs formes (sphériques ou bâtonnets), soulignant ainsi la corrélation entre les particules dopantes et le milieu hôte.

Depuis quelques années, nous nous intéressons à des systèmes colloïdaux constitués de dispersions de nanoparticules solides, ferroélectriques ou semi-conductrices, dans un milieu cristal liquide à molécules polaires ou ferroélectriques. L’objectif fondamental est d’appréhender les interactions de nature électrique (en plus de celles élastiques) entre le milieu CL (du fait que les molécules du CL portent spontanément un dipôle électrique ou une polarisation dans le cas d’un ordre ferroélectrique) et les nanoparticules. Expérimentalement, il s’agit de mesurer l’impact de ces nanoparticules dispersées sur les propriétés diélectriques, optiques et ferroélectriques de ces matériaux

Nanocolloïdes 8CB/Sn2P2O6 : influence de la concentration en nano-particules

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Textures obtenues au microscope polarisant

 

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Analyse enthalpique différentielle : température de transition.

Elaboration et caractérisation de matériaux hybrides ZnO-cristal liquide pour applications aux dispositifs photo-voltaïques

Ces travaux s’inscrivent dans l’essor important que connaît actuellement le domaine des énergies renouvelables en termes de recherche et de nouvelles technologies de l’énergie. Dans ce domaine, les cellules solaires organiques font l’objet de nombreuses études. Parallèlement, les semi-conducteurs nanocristallins (CdS, CdTe, PbS et ZnO) sont également prometteurs pour la réalisation de cellules solaires en termes de stabilité à long terme, de large gamme d’absorption (des UV au proche infra-rouge) et de propriétés électroniques.

L’objectif est d’étudier les propriétés de photoconduction et de transport de charges dans des cristaux liquides et des polymères et de montrer leurs potentialités pour la réalisation de cellules solaires hybrides « nano-particules ZnO – cristaux liquides ». Ces études expérimentales sont réalisées grâce à un banc de mesure « temps de vol » des porteurs de charge dans un matériau sollicité par des impulsions lumineuses.

La motivation est de combiner les avantages des deux classes de matériaux et d’utiliser les propriétés de transport de charges et d’auto-organisation des cristaux liquides pour obtenir des films nano-structurés augmentant la surface de contact des matériaux transporteurs de trous et d’électrons. La dissociation des excitons apparaît au niveau de ces surfaces de contact, les performances des cellules photovoltaïques peuvent être ainsi améliorées.

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Banc de mesure du « temps de vol » des porteurs de charge.

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Exemple de signal photocourant mesuré.

Dispositifs radiofréquences et micro-ondes re-configurables à base de cristaux liquides

(réduire)

Il s’agit d’une nouvelle application des cristaux liquides généralement utilisés dans les dispositifs de visualisation. Les dispositifs re-configurables présentent des applications potentielles dans le domaine des télécommunications. Ces dispositifs mettent à profit d’une part les propriétés d’anisotropie diélectrique des cristaux liquides, et d’autre part de commande de l’orientation par champ électrique.

Une méthode originale de caractérisation diélectrique micro-onde a été mise au point. Cette méthode est adaptée aux matériaux anisotropes et ne nécessite pas de calibrage de l’analyseur de réseaux.

Les études concernent principalement des déphaseurs re-configurables à couche active cristal liquide ou composite polymère-cristal liquide (PDLC) en structures micro-rubans et coplanaires (substrats Duroïd). D’autres dispositifs ont été réalisés :

– déphaseur utilisant un cristal liquide nématique à forte biréfringence(Δε=1.06, collaboration avec l’Université Militaire de Technologie de Varsovie). Ce déphaseur a donné une agilité 2.3 fois supérieure à la littérature (1.8 °/cm/GHz).

– déphaseurs en serpentin pour la miniaturisation,

– déphaseurs sur alumine, en particulier, déphaseurs à faibles gaps (15 à 40 mm) pour réduire les tensions de commande (collaboration avec l’IEMN de Lille).

– cellule de mesure des propriétés diélectriques micro-ondes adaptée aux PDLC avec possibilité de photopolymérisation in-situ et développée à partir de guides semi-rigides (caractéristiques : 8-12 GHz, erreur < 5%, volume < 5mm3).

– résonateur de Fabry-Perot agile à faces planes et résonateur coplanaire dans la gamme des 27 GHz en collaboration de l’IETR de Rennes et l’IEMN de Lille.

– démonstrateur montrant la faisabilité d’une antenne à balayage électronique à déphaseurs coplanaires en serpentin et d’antennes patch à 32GHz.

 microcontact

Analyseur de réseaux et dispositif de mesures sous pointes

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Déphaseur coplanaire.

Membres de l’équipe

Yahia Boussoualem    MCF
Frédéric Dubois       MCF
Abdelylah Daoudi      PR
Redouane Douali       PR
Freddy Krasinski      MCF
Jean-Marc Leblond    MCF
Christian Legrand     PR (responsable de l’équipe)
Nicolas Tentillier    MCF

Doctorants

Alejandro Segovia-Méra 2012-2015 Dispersions de nanoparticules dans un milieu cristal liquide ferroélectrique : Elaboration et étude des effets électro-optiques et diélectriques.
Lin Yaochen 2013-2016 Elaboration et caractérisation de nano-colloïdes « nanoparticules ferroélectriques dans un cristal liquide ».
Mikhaël Halaby-Macary 2014-2017 Matériaux hybrides « nanoparticules ZnO – cristaux liquides » : élaboration, caractérisation et applications aux cellules photovoltaïques

Post-doctorants

Dharmendra Pratap Singh, Lauréat de la bourse Raman-Charpak 2014 pour un séjour de six mois à l’UDSMM du 15/01/2015 au 15/07/2015.

Professeurs invités

Fatiha BOUGRIOUA, Maître de Conférences (Laboratoire de Physique des Systèmes Complexes, EA 4663, Université de Picardie Jules Verne, Amiens, détachée à l’UDSMM du 30/01/2016 au 30/07/2016 dans le cadre d’un CRCT accordé au titre du CNU 28.

Collaborations

Nationales

– Institut d’Electronique, de Microélectronique et des Nanotechnologies, UMR CNRS 8520, Université Lille 1, Villeneuve d’Ascq

– Plate-forme technologique « Simulation et prototypage de cartes électroniques » de l’IUT du Littoral-Côte d’Opale

-Unité de Catalyse et de Chimie du Solide (UCCS Artois), UMR CNRS 8181, Groupe « Nanomatériaux à visée photonique »-Université d’Artois.

Internationales

– Laboratoire de Physique Appliquée, Université Libanaise, Beyrouth, Liban

– Liquid Crystal Research Lab (University of Lucknow, India).

– Institute of Physics ; National Academy of Sciences – Kiev. Ukraine.

– Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Université Hassan II, Maroc.

Publications

J.-M. LEBLOND, R. DOUALI, Y. CHERFI, N. BELDJOUDI, A. WAWRZYNIAK, S.W. WROBEL, P. ROPA, C. LEGRAND
“Determination of the Landau’s coefficients for a liquid crystal showing a De Vries phase”
Molecular Crystals and Liquid Crystals, vol. 541, pp. 211-221 (2011)

SAHBANI, N. TENTILLIER, C. LEGRAND, K. BLARY, A. GHARSALLAH, A. GHARBI
« Copanar liquid crystal reconfigurable phase-shifters »
Molecular Crystals and Liquid Crystals, vol. 542, pp. 204-212 (2011)

KRASINSKI, B. SPLINGART, F. DUBOIS, U. MASCHKE, C. LEGRAND
« Dielectric characterization of polymer disperded liquid crystal in microwave range. Material integration in specific electronic devices »
Molecular Crystals and Liquid Crystals, vol. 542, pp. 227-236 (2011)

HEMINE, A. DAOUDI, R. DOUALI, A. EL KAAOUACHI, A. NAFIDI, C. LEGRAND
« Dielectric spectroscopy of the electroclinic effect in the ferroelectric liquid crystal materials”
Spectroscopy Letters, 47, 341-347 (2014)

BOUSSOUALEM, M. ISMAILI, A. DAOUDI
« Photo enhancement of spontaneous polarization in ferroelectric liquid crystal doped with azo-molecules »
App. Phys. Lett., 107, 112902 (2015)DUBOIS, Y. DEROUICHE, J.

M. LEBLOND, U. MASCHKE, R. DOUALI
« Compensated Arrhenius formalism applied to a conductivity study in poly(propylene glycol) diacrylate monomers« 
Phys. Rev. E 92, 032601 (2015)

LIN, R. DOUALI, A. SEGOVIA-MERA, F. DUBOIS, A. DAOUDI
« On the phase transitions of 8CB / Sn2P2S6 liquid crystal nanocolloïds »
Europ. Phys. J., 38, 103 (2015)