Offre de thèse
CD - Etude à l'échelle moléculaire des mécanismes de dopage des semiconducteurs organiques
Date limite de candidature
17-04-2026
Date de début de contrat
01-10-2026
Directeur de thèse
KIERREN Bertrand
Encadrement
Le (la) doctorant(e) sera encadré(e) par le professeur Bertrand KIERREN (Directeur de thèse, HDR) et la Dr Xiaocui WU (co-directrice de thèse) avec un suivi quotidien au laboratoire. La formation aux techniques expérimentales et à la problématique du sujet sera assurée par les deux co encadrants. Des réunions de suivi régulières permettront d'assurer la progression scientifique sur toute la durée de la thèse. Le (la) doctorant(e) sera pleinement intégré(e) à l'équipe 102 de l'Institut Jean Lamour et pourra ainsi profiter des compétences de tous les membres de l'équipe. Il (elle) participera aux réunions scientifiques du groupe ainsi qu'aux séminaires de l'Institut. La formation doctorale sera assurée dans le cadre de l'ED C2MP, incluant des formations scientifiques (en physique et en chimie), méthodologiques (microscopie et spectroscopie) et transversales (communication scientifique, valorisation, gestion de projets, ...). L'avancement des recherches fera l'objet de bilans réguliers avec définition d'objectifs de court et moyen terme. Les résultats seront présentés et discutés lors de réunion internes et diffusés dans des conférences nationales et internationales. Le (la) doctorant(e) sera incité(e) et préparé(e) à diffuser oralement ses résultats lors de ces conférences. Un comité de suivi individuel (CSI) sera mis en place conformément aux procédures de l'ED afin d'assurer un suivi scientifique et professionnel tout au long de la thèse.
Type de contrat
école doctorale
équipe
DEPARTEMENT 1 - P2M : 102 - Surfaces et Spectroscopiescontexte
Le développement récent des semiconducteurs organiques a mis en évidence la nécessité de maîtriser finement leurs propriétés électroniques, le dopage constituant un levier essentiel pour leur optimisation. Ce sujet de thèse vise à élucider les mécanismes de dopage à l'échelle moléculaire en analysant les interactions aux interfaces donneur/accepteur. Des techniques avancées de caractérisation sous ultravide (STM/STS, XPS, UPS, ARPES) permettront d'établir une compréhension approfondie des processus de transfert de charge et de leur impact sur la structure électronique des matériaux. Ce travail contribuera au développement d'une ingénierie contrôlée des interfaces solides organiques/inorganiques, ouvrant de nouvelles perspectives pour les futures dispositifs (opto)électroniques.spécialité
Physiquelaboratoire
IJL - INSTITUT JEAN LAMOURMots clés
semi conducteurs organiques, dopage, structure, propriétés électroniques, transfert de charge
Détail de l'offre
Le dopage des semiconducteurs organiques constitue une étape clé pour contrôler et optimiser leurs propriétés électroniques, et ainsi améliorer les performances des dispositifs optoélectroniques tels que les transistors organiques, les cellules photovoltaïques ou encore les diodes électroluminescentes. Contrairement aux semiconducteurs inorganiques, où le dopage repose principalement sur la substitution atomique dans le réseau cristallin, le dopage des matériaux organiques s'appuie sur des mécanismes d'interaction moléculaire, incluant le transfert de charge et l'hybridation électronique à l'interface entre le semiconducteur et la molécule dopante. L'efficacité des dopants est fortement influencée par leur nature chimique ainsi que par leur niveau de distribution aux interfaces donneur/accepteur (D/A) [1]. La compréhension fine de ces mécanismes, en particulier à l'échelle moléculaire, représente aujourd'hui un enjeu majeur pour le développement de matériaux plus performants, stables et durables, ouvrant la voie à une ingénierie électronique précise des systèmes organiques.
Ce sujet de thèse vise à caractériser, à l'échelle moléculaire, les interactions à l'interface D/A afin d'obtenir une compréhension approfondie des mécanismes de dopage des semiconducteurs organiques. Pour cela, des molécules soigneusement choisies seront déposées sous ultravide (UHV) sur différents types de substrats (métalliques, semiconducteurs, isolants, …) par évaporation thermique et/ou par l'électrospray — une méthode innovante permettant le dépôt de molécules depuis la phase liquide vers la phase gazeuse, particulièrement adaptée aux macromolécules non volatiles [2]. La structure à l'échelle sub-moléculaire du mélange D/A sera étudiée par microscopie à effet tunnel (STM) [3], et l'alignement des niveaux d'énergie à l'interface D/A sera caractérisé par spectroscopie à effet tunnel (STS) [4,5]. Ces mesures locales seront corrélées à des mesures de photoémission induites par rayons X (XPS) pour identifier l'environnement chimique des semiconducteurs et des dopants, de spectrométrie photoélectronique UV (UPS) pour caractériser les états électroniques de valence (HOMO occupés) et de photoémission résolue en angle (ARPES) pour déterminer la structure de bande du système D/A, réalisées à la fois au laboratoire et sur synchrotron [6].
Keywords
organic semiconductors, doping, structure, electronic properties, charge transfer
Subject details
Doping of organic semiconductors is a key step for controlling and optimizing their electronic properties, thereby improving the performance of optoelectronic devices such as organic transistors, organic photovoltaics, and organic light-emitting diodes. Unlike inorganic semiconductors, where doping mainly relies on atomic substitution within the crystal lattice, doping in organic materials is governed by molecular interaction mechanisms, including charge transfer and electronic hybridization at the interface between the semiconductor and the dopant molecule. The efficiency of dopants is strongly influenced by their chemical nature as well as by their distribution at the donor/acceptor (D/A) interfaces [1]. A detailed understanding of these mechanisms, particularly at the molecular scale, is therefore a major challenge for the development of more efficient, stable, and sustainable materials, paving the way toward precise electronic engineering of organic systems. This PhD project aims to characterize, at the molecular scale, the interactions occurring at the D/A interface in order to achieve a comprehensive understanding of doping mechanisms in organic semiconductors. To this end, carefully selected molecules will be deposited under ultra-high vacuum (UHV) on various types of substrates (metallic, semiconducting, insulating, etc.) by thermal evaporation and/or electrospray deposition — an innovative method enabling the transfer of molecules from the liquid phase to the gas phase, particularly suitable for non-volatile macromolecules [2]. The submolecular structure of the D/A mixture will be investigated using scanning tunneling microscopy (STM) [3], while the energy-level alignment at the D/A interface will be characterized by scanning tunneling spectroscopy (STS) [4,5]. These local measurements will be correlated with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to identify the chemical environment of the semiconductors and dopants, ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) to characterize the valence electronic states (occupied HOMO levels), and angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) to determine the band structure of the D/A system, carried out both in the laboratory and at synchrotron facilities [6].
Profil du candidat
Le (la) candidat(e) devra être titulaire d'un Master 2 (ou équivalent) en physique, chimie, science des matériaux ou discipline proche. Une solide formation en physique de la matière condensée, en science des surfaces ou en nanosciences sera appréciée. Des compétences expérimentales en techniques de caractérisation des surfaces (par exemple microscopie à sonde locale et spectroscopies sous ultravide) constitueront un atout. Le (la) candidat(e) devra faire preuve d'autonomie, de rigueur scientifique, d'esprit d'initiative et d'une forte motivation pour la recherche. Une bonne capacité de communication scientifique, ainsi qu'une aptitude au travail en équipe dans un environnement multidisciplinaire sont également attendues.
Candidate profile
The candidate should hold a Master's degree (or equivalent) in physics, chemistry, materials science, or a related discipline. A strong background in condensed matter physics, surface science, or nanoscience will be appreciated. Experimental skills in surface characterization techniques (e.g., scanning probe microscopy and spectroscopies under ultra-high vacuum) will be considered an asset. The candidate is expected to demonstrate autonomy, scientific rigor, initiative, and strong motivation for research. Good scientific communication skills, as well as the ability to work effectively within a multidisciplinary team, are also required.
Référence biblio
[1] Pei, K. Recent advances in molecular doping of organic semiconductors. Surf. Interfaces 30, 101887 (2022).
[2] Wu, X., Kumar, D., Ham, J., Huang, S. & Anggara, K. Soft landing mass-selected ions for single molecule imaging. (American Chemical Society, 2025).
[3] Wu, X. et al. Revealing polymerisation defects and formation mechanisms in aldol condensation for conjugated polymers via high-resolution molecular imaging. Nat. Commun 16, 7031 (2025).
[4] Wu, X., Néel, N., Brandbyge, M. & Kröger, J. Enhancement of graphene phonon excitation by a chemically engineered molecular resonance. Phys. Rev. Lett. 130, 116201 (2023).
[5] Granet, J. et al. Adsorption-induced Kondo effect in metal-free phthalocyanine on Ag(111). J. Phys. Chem. C 124, 10441–10452 (2020).
(6] Vasseur, G. et al. Quasi one-dimensional band dispersion and surface metallization in long-range ordered polymeric wires. Nat. Commun 7, 10235 (2016).