En collaboration avec le groupe de Fabrice Charra (CEA-Saclay).

Ces dernières années il a été montré que certains semi-conducteurs organiques peuvent être intégrés efficacement dans des cellules photovoltaïques en tant que matériau actif. Afin d’explorer l’origine moléculaire des photocourants organiques nous avons réalisé une nano-jonction métal/isolant/semi-conducteur (MIS) utilisant un microscope à effet tunnel (Fig.1). Cette spectroscopie STM photo-assistée permet d’acquérir simultanément a/ une image de la morphologie de surface (imagerie STM classique) et b/ l’image correspondante en photocourant. Cette technique permet d’effectuer des corrélations directe et non-destructives (" through-space ") entre l’ordre cristallin et les propriétés électroniques. Notons qu’un dispositif d’acquisition des données ultra-rapide (10 ms/pixel) et en deux étapes (1/ asservissement de la pointe puis 2/ mesure Iph) permet de détecter les courants tunnels extrêmement faibles (sub-picoampère) caractéristiques des semi-conducteurs organiques.

La pointe STM joue le rôle d’électrode injectante, le film d’air celui d’isolant et l’échantillon organique (film mince ou nanocristal) celui de semi-conducteur. L’échantillon est posé sur un substrat conducteur semi-transparent (ITO sur verre) servant de contre-électrode. Les photons d’un faisceau laser He-Cd (442 nm, Φ= 50μm) est couplée au composé organique à travers un prisme. Ce dispositif permet d’enregistrer les courbes I/V de chaque point de la surface balayée avec une résolution spatiale de l’ordre du nanomètre avec la possibilité d’atteindre la résolution atomique.

L’acquisition d’une image STM photo-assistée peut s’effectuer en modulant les trois paramètres suivants : la tension appliquée V, l’intensité du courant tunnel I_t et la distance Z entre la pointe et l’échantillon. A chaque pixel et pour un Z donné correspond une courbe I/V ce qui permet de dresser la cartographie photovoltaïque de films et de cristaux de 6T et 8T et de la corréler avec la morphologie de surface. L’image çi-dessus révèle la structure en terrasse de la surface d’un monocristal de 6T, la hauteur des marches correspondant précisément à la hauteur d’une demi-maille cristalline (23 Å). La combinaison des deux types d’images conduit à une image 3D qui fait clairement apparaître les zones dans lesquelles le photocourant est le plus intense (Fig.2). Cette spectroscopie photovoltaïque nanoscopique devrait donc permettre à l’avenir d’optimiser les cellules solaires organiques " tout-solide " dont les rendements maximum sont de 3 % à ce jour.

Ces travaux préliminaires concernent le sexithiophène (6T) et le pentacène (5A). Nous étendons actuellement ces études à d’autres familles de composés organiques conjugués tels que les acènes et des mélanges polymère-C₆₀

Outre l’imagerie de surface, nous nous intéressons au comportement photoélectrique local de ces matériaux. La spectroscopie de courant tunnel (STS) fournit en effet des informations précieuses sur les propiétés semi-conductrices des composés organiques , dans l’obscurité et sous éclairement. Une illustration en est donnée çi-dessous avec les réponses I/V locales d’un mélange polymère-C₆₀ à l’échelle nanomètrique (Fig.3). Cette mesure s’effectue en cours de balayage de la surface de l’échantillon (film mince déposé sur de l’ITO)par la pointe STM. Plusieurs courbes I/V peuvent ainsi être enregistrées en divers endroits de la même image, ce qui permet de comparer leurs comportements électriques en fonction de la morphologie.