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At the heart of the digital transition, which is a part of one of the major social transitions of the early 21st century, electronics are accelerating its development and its integration into everyday objects.The classic printed electronics on rigid substrates (PCB, Printed Circuit Board), developed since the 1950s, are still present in todays market. Indeed, Integrated and packaged circuits are still concentrating more functions, taking advantage of Moore's law and the advent of More-than-Moore, crossing microelectronics and microsystems. Nevertheless, the transfer of components onto rigid composite substrates (FR4 epoxy-glass) suffers from poor thermal dissipation, preventing the heat dissipation from increasingly energy-dense functions. Even if the miniaturisation of packaged components and interconnection technologies have made great progress in terms of dimensions, their development in 2D planes still makes it difficult to integrate them into objects with increasingly complex shapes produced by additive manufacturing. Finally, the use of chemical products, which are harmful to health and the environment, but which are necessary for the masking and engraving steps of the interconnections, makes the process less and less acceptable in terms of sustainable development.At the same time, plastics processing has also undergone a transformation, allowing electronic functions to be accommodated thanks to the development of inks and conductive polymers implemented by screen printing or direct printing. The plastronics sector makes it possible to exploit new substrates on very large, flexible surfaces, even conformable by thermoforming in the case of stretchable inks. At this stage, we can talk about structural electronics, where the object directly carries the interconnections and electronic functions, in the same way as a PCB could do.Furthermore, the additive manufacturing of polymer materials allows access to complex shapes whose design in stacked layers (2D+Z), which makes it possible to accommodate the electronic functions in volume in cavities, or between each of the layers, in a hybrid manner or by direct printing. Beyond the intelligence of mechanical design, the topological optimisation allowed by additive manufacturing making it possible to accommodate the electronics in the optimal places on/in the object, both in terms of use (integration) and robustness (packaging).However, this approach is reserved for electrically insulating materials (plastics, ceramics). For metallic substrates, the ideal would be to have anisotropic conductive materials, which is precisely the aim of the work in this thesis.A polymer material loaded with oxidized copper particles has been identified commercially. It carries within the necessary ingredients for a possible electrical functionalization by laser activation, referred to in the literature by Kang & Al [1]. The first work therefore consisted of demonstrating the feasibility of surface activation and characterising the properties obtained. Furthermore, physico-chemical characterisations were carried out to determine the activation scenario under the laser beam. Finally, the study ended with environmental tests and the identification of ways to make the electronic functions more reliable.[1]B. Kang, S. Han, J. Kim, S. Ko, et M. Yang, « One-Step Fabrication of Copper Electrode by Laser-Induced Direct Local Reduction and Agglomeration of Copper Oxide Nanoparticle », J. Phys. Chem. C, vol. 115, no 48, p. 23664‑23670, déc. 2011, doi: 10.1021/jp205281a.; Au cœur de la transition numérique, qui fait partie d’une des grandes transitions sociétales du début du XXIème siècle, l’électronique accélère son développement et son intégration dans les objets et les usages.Classiquement, l’électronique sur substrats rigides (PCB, Printed Circuit Board), développée dans les années 1950 est encore bien présente. Les circuits intégrés et packagés concentrent davantage de fonctions, profitant de la loi de Moore et l’avènement du More-than-Moore, croisant la microélectronique et les microsystèmes. Néanmoins, le report de composants sur substrat composite rigide (FR4 époxy-verre) souffre d’une mauvaise dissipation thermique empêchant l’évacuation la chaleur de fonctions de plus en plus denses énergétiquement parlant. Même si la miniaturisation des composants packagés et les technologies d’interconnexion ont fait de grands progrès en termes de dimensions critiques, leur épanouissement dans le plan rend encore délicate leur intégration dans des objets aux formes de plus en plus complexes, poussés par les progrès de la mise en forme des matériaux et la fabrication additive. Enfin, l’emploi de produits chimiques, nocifs pour la santé et l’environnement, mais nécessaires aux étapes de masquage et de gravure des interconnexions, rend la filière de moins en moins acceptable en termes de développement durable.En parallèle, la plasturgie a également fait sa mue en permettant l’accueil de fonctions électroniques grâce au développement d’encres et de polymères conducteurs mis en œuvre par sérigraphie ou par impression directe. La filière plastronique permet d’exploiter des substrats nouveaux sur des très grandes surfaces, flexibles, voir conformables par thermoformage dans le cadre des encres étirables. A ce stade on pourra parler d’électronique structurelle, où l’objet porte directement les interconnexions et les fonctions électroniques, au même titre que pourrait le faire le PCB.Pour aller plus loin, la fabrication additive de matériaux polymères permet d’accéder à des formes complexes, dont la conception en strates empilées (2D+Z) permet d’accueillir les fonctions électroniques en volume dans des cavités, ou entre chacune des strates, de manière hybride ou par impression directe. Au-delà de l’intelligence de conception mécanique, l’optimisation topologique permise par la fabrication additive permet donc d’accueillir l’électronique aux meilleurs endroits de l’objet, à la fois en termes d’usage (intégration) et de robustesse (packaging).Cependant cette approche est réservée aux matériaux électriquement isolants (plastiques, céramiques). Pour les substrats métalliques, l’idéal serait de disposer de matériaux anisotropiquement conducteurs. C’est précisément l’objet des travaux de cette thèse d’ouverture.Un matériau polymère chargé de particules de cuivre oxydé a été identifié dans le commerce. Il porte en lui les ingrédients utiles à une éventuelle fonctionnalisation électrique par activation laser, référencée dans la littérature par Kang & Al [1]. Les premiers travaux ont donc consisté à démontrer la faisabilité de l’activation en surface et la caractérisation des propriétés obtenues. A cela s’ajoutent des caractérisations physico-chimiques permettant de remonter au scénario d’activation sous faisceau. Enfin l’étude s’est achevée par des tests environnementaux et l’identification de pistes de fiabilisation des fonctions électroniques réalisables.[1]B. Kang, S. Han, J. Kim, S. Ko, et M. Yang, « One-Step Fabrication of Copper Electrode by Laser-Induced Direct Local Reduction and Agglomeration of Copper Oxide Nanoparticle », J. Phys. Chem. C, vol. 115, no 48, p. 23664‑23670, déc. 2011, doi: 10.1021/jp205281a.

Flexible lightweight printed thermoelectric devices can become particularly interesting with the advent of ubiquitous sensing and within the context of current energy and environmental issues. However, major drawbacks of state of the art thermoelectric materials must be addressed to make waste heat recovery devices commercially feasible. In this PhD thesis, we’ve elaborated and described a method to fabricate optimized, fully inkjetprinted flexible thermoelectric generators based on organic and hybrid semiconductors. This research project can be divided into three stages: First is the development of effective, stable and solution-processed p-type and n-type thermoelectric materials. Our effort in optimizing thermoelectric materials were based on modulation of charge carrier concentration and on control of morphology. Second, design and modeling of thermoelectric devices and their geometric parameters using numerical simulation methods. Numerical simulations were based on a 3D-finite element analysis and simulation software for coupled physical problems to model and design thermoelectric devices. Finally, formulation of materials into ink in order to produce thermoelectric generators by inkjet printing deposition. Various structures and architectures were experimentally characterized and systematically compared to numerical evaluations. Hence, we produced an extensive study on designing and producing thermoelectric devices operating at near ambient temperature and conditions., Les dispositifs thermoélectriques, légers et flexibles, peuvent être particulièrement intéressants aujourd’hui dans le contexte de l’émergence de l’informatique ubiquitaire, ainsi que de la crise environnementale liée à la consommation d’énergie électrique. Cependant, beaucoup de problèmes doivent encore être résolus pour rendre les dispositifs de récupération de chaleur commercialement viables. Dans cette thèse nous avons élaboré une méthode de conception et de fabrication par impression jet d’encre de générateurs flexibles à base de semi-conducteurs organiques et hybrides. En premier lieu, les travaux ont été consacrés au développement de matériaux thermoélectriques efficaces, stables et synthétisés par voie liquide. Les stratégies d’optimisation employées reposent sur la modulation de la concentration de porteurs de charge et le contrôle de la morphologie microscopique du matériau. En second lieu, nous avons effectué un travail de conception et de modélisation de dispositifs thermoélectriques ainsi que de leurs paramètres géométriques en utilisant des outils numériques. La modélisation numérique a été réalisée par la méthode des éléments finis 3D et par couplage d’effets physiques multidimensionnels. L’aboutissement de notre projet a été la formulation des matériaux en encres pour la fabrication de générateurs thermoélectriques par la technique de dépôt par impression jet d’encre. Différentes structures et architectures ont été expérimentalement caractérisées et systématiquement comparées aux évaluations numériques. Ainsi, nous présentons une approche intégrale de conception et de fabrication de dispositifs thermoélectriques opérant à des températures proches de l’ambiant.

This thesis focuses on the understanding of the mechanisms involved in the inkjet printing of silver nanoparticles-based inks in order to optimize the manufacturing of thin (width, Ce travail de thèse est centré sur la compréhension des mécanismes mis en jeu lors de l’impression d’encres à base de nanoparticules d’argent en jet d’encre dans le but d’optimiser la production de fines (

This thesis focuses on the understanding of the mechanisms involved in the inkjet printing of silver nanoparticles-based inks in order to optimize the manufacturing of thin (width

This work examines the potential of a very smooth paper for the mass production of printed RFID-RF tags. Characterizations on Powercoat HD paper demonstrate high temperature tolerance and very low roughness. It thus represents a serious alternative to the use of polymeric films (PET, PEN, PI, etc.), enabling the electrical performance of metallic conductive inks to be fully developed.Two industrial printing processes have been considered, flexography and screen printing, and their use were discussed for the printing of low-cost electronic devices. Moreover, the electrical performances of commercial silver based inks are studied according to the size of their particles. Indeed, the use of metal particles at the nanometric scale can facilitate the activation of the atomic diffusion mechanisms, thus improving the physical contact between the particles and promoting electrical conduction. In parallel, microparticles inks are cheaper and their conditions of use less restrictive. In any case, the coalescence of the metal particles after printing cannot be initiated without a thermal sintering treatment.Sintering is usually carried out in an oven or hot air tunnel, the temperature must therefore remain below the tolerance of the substrate. This leads to limited electrical performances for long process duration of several minutes. In order to take into account the industrial constraints of large-scale production and to achieve the best electrical performance in a short time, one of the main explored research areas is the deployment of emerging near-infrared (NIR) and intense pulsed light (IPL) photonic technologies. These latter are based on the absorption of light energy by the ink film thus causing rapid heating. The important absorption differential between the inks and the substrate allows high heating selectivity which makes it possible to limit the degradation of the substrate while the ink temperatures may be greater than 300 ° C. For each sintering process, the influence of the various parameters on the final electrical performance has been studied by setting up an in-situ resistance monitoring, allowing sampling frequency up to 250 kHz.Finally, RFID-HF loops were printed, sintered under previously optimized conditions and then characterized. An estimate of the production costs was carried out in order to distinguish the contributions related to the ink, the substrate and the silicon chip. The obtained results demonstrate the potential of Powercoat HD paper, coupled with flexographic roll-to-roll printing and near-infrared technology, enabling the large-scale production of RFID-HF tags at a material cost of the order of 5 euros cents., Ces travaux examinent le potentiel d’un papier à fort lissé pour la production de masse de tags RFID-HF imprimés. Les caractérisations menées sur le papier Powercoat HD mettent en évidence une haute tolérance à la température et une faible rugosité. De fait, il se présente ainsi comme une sérieuse alternative à l’utilisation des films polymères (PET, PEN, PI, etc.), permettant de développer pleinement les performances électriques d’encres conductrices métalliques.Deux procédés d’impression industriels ont été considérés, la flexographie et la sérigraphie ayant tout deux fait leurs preuves depuis plusieurs décennies pour l’impression graphique à hautes cadences. Le potentiel de leur utilisation pour l’impression à grande échelle de dispositifs électroniques à bas-coût est discuté dans ces travaux. De plus, les performances électriques d’encres commerciales à base d’argent sont étudiées en fonction de la taille des particules qui les composent. En effet, l’utilisation de particules métalliques à l’échelle nanométrique pourra faciliter l’activation des mécanismes de diffusion atomique, améliorant ainsi le contact physique entre les particules et favorisant la conduction électrique. En parallèle, les encres à microparticules sont moins coûteuses et leurs conditions d’utilisation moins contraignantes. Toutefois, la coalescence des particules métalliques après l’impression ne pourra être initiée sans un traitement thermique de recuit.Le recuit est usuellement réalisé dans une étuve ou un tunnel à air chaud, la température doit alors rester inférieure à la tolérance du substrat. Cela permet d’atteindre des performances électriques qui restent limitées pour des durées de procédé de l’ordre de plusieurs minutes. Afin de tenir compte des contraintes industrielles d’une production à grande échelle et de permettre d’obtenir les meilleures performances électriques en un temps réduit, l’un des principaux axes de recherche exploré consiste au déploiement des technologies émergentes de recuit photonique proche infrarouge (NIR) et lumière intense pulsée (IPL). Ces dernières sont basées sur l’absorption de l’énergie lumineuse par le film d’encre provoquant ainsi sont échauffement rapide. L’important différentiel d’absorption entre les encres et le substrat contribue, en outre, à une sélectivité de ces procédés permettant de limiter la dégradation du support tout en atteignant au niveau de l’encre, des températures pouvant être supérieures à 300°C. Pour chaque procédé de recuit, l’influence des différents paramètres sur les performances électriques finales a pu être étudiée par la mise en place d’un suivi in-situ de la résistance, permettant un échantillonnage allant jusqu’à 250 kHz.Finalement, des boucles RFID-HF ont été imprimées, recuites dans les conditions précédemment optimisées puis caractérisées. Une estimation des coûts de production a été menée afin de distinguer les contributions liées à l’encre, au support et à la puce électronique en silicium. Les résultats obtenus mettent en évidence le potentiel du papier Powercoat HD, couplé à une impression en flexographie et à un recuit proche infrarouge, permettant alors la production à grande échelle de tags RFID-HF pour un coût matière de l’ordre de 5 centimes d’euros.

National audience; The recent progress in functionalized inks based on metal nanoparticles and their subsequent deposition by inkjet-printing technologies promoted the emergence of printed electronics. Such printed structures can be treated by selective sintering techniques that enable the sintering of 20 nm-nanoparticles at process temperatures compatible with flexible plastic substrates. This article discusses the various aspects related to the production of metal tracks on flexible substrates, from the deposition using direct printing technologies, to the relationship between microstructural characteristics and electrical properties of such structures for the fabrication of devices such as antennas, interconnectsor electrodes.; Le développement récent d’encres fonctionnalisées constituées de nanoparticules métalliques, associé à la maîtrise du procédé d’impression par jet d’encre, a rendu possible l’émergence de l’électronique imprimée. Les structures imprimées peuvent être traitées par des techniques de recuit sélectif qui permettent de réaliser la coalescence de nanoparticules de 20 nm à une température de procédé compatible avec les substrats plastiques flexibles. Cet article aborde les différents aspects liés à la réalisation de pistes métalliques sur substrat souple, depuis les technologies d’impression directes, jusqu’à l’adéquation entre les caractéristiques microstructurales et les propriétés électriques de telles structures pour la fabrication de dispositifs tels que des antennes, des pistes de routage ou des électrodes.

This study takes place in the frame of the Inxilicium project from the National Research Agency, which targets the fabrication of silicon thin film solar cells by inkjet-printing. Thanks to their specific properties, silicon nanoparticles are materials with strong potential for technological breakthroughs. Silicon nanoparticle-based inks made by different synthesis routes have been inkjet-printed on different substrates: quartz, metallic electrodes (aluminum, molybdenum) and transparent electrodes (ZnO:Al). Homogeneous and continuous thin films (from several hundreds of nm to some µm thick) have been obtained through optimization of the printing process, the ink/substrate interaction (via substrates surface energy tuning) and the drying step.A posteriori, an annealing step is mandatory for recovering of functional properties. By using nanoparticles with tailored surface physical chemistry, the sintering temperature decreases from 1100 °C to 600 °C. In order to allow the use of this material on flexible and low cost substrates, selective sintering (microwave and photonics) have been also evaluated.Thin film optical properties and electrode/silicon interfaces have been investigated with the purpose to integrate those layers into devices (solar cells…). Metallurgical evolution of Al-Si and Mo-Si physical interfaces has been studied by in situ XRD.This work allowed the fabrication of a PN junction with a photovoltaic behaviour under strong polarization voltage thanks to the development of an innovative thermal pasting process, which opens the way to the reduction of process thermal budget., Cette étude prend place dans le cadre du projet ANR Inxilicium visant à la réalisation de cellules solaires en couches minces de silicium par jet d’encre. Les nanoparticules de silicium sont des matériaux à fort potentiel pour la levée de verrous technologiques grâce à leurs propriétés spécifiques. Des encres de nanoparticules de Si issues de diverses méthodes de synthèse ont été imprimées par jet d’encre sur différents substrats : quartz, électrodes métalliques (aluminium, molybdène) et transparente conductrice (ZnO:Al). L’optimisation du procédé d’impression, de l’interaction encre/substrat (via la modulation de l’énergie de surface des substrats) et de l’étape de séchage a permis l’obtention de couches minces homogènes et continues (plusieurs centaines de nm à quelques µm d’épaisseur)A posteriori, une étape de recuit est nécessaire pour recouvrer des propriétés fonctionnelles. L’utilisation de nanoparticules à la physico-chimie de surface contrôlée fait décroître les températures de frittage de 1100 °C à environ 600 °C. En complément, des recuits sélectifs (micro-ondes et photonique) ont été évalués pour leur application sur des substrats flexibles et bas coûts.Les propriétés optiques et les interfaces électrode/silicium ont été examinées afin d’intégrer ces couches dans des dispositifs (cellule solaire…). La formation de transitions métallurgiques Al-Si et Mo-Si a été étudiées par DRX-in situ. L’ensemble de ces travaux a permis la réalisation d’une jonction PN montrant un comportement photovoltaïque à fort champ grâce aussi à la mise au point d’une méthode innovante de collage ouvrant la voie à une réduction du bilan thermique des procédés de fabrication.

Exploring interfacial layers based on metal oxides opens new perspectives in the field of organic photovoltaic (OPV). This thesis takes place in development, characterization and analysis of Zinc Oxide (ZnO) based interfacial layers, deposited by sputtering in the preparation of solar cells devices compatible with flexible substrates and "roll-to-roll" process. After a state of art, the first study will focus on contribution and optimization of ZnO films sputtered on active layer (P3HT:PCBM) for conventional structures. A second study will highlight the importance of annealing processes of ZnO layers deposited on flexible and rigid substrates based on ITO for inverse flexible solar cells. Following these studies, the development of the devices will be tested and validated using printing techniques inspired from soft lithography. Finally, new materials as graphene will be interfaced with ZnO layers and discuss in this research.; L'exploitation des couches interfaciales à base de d'oxydes métalliques ouvre des perspectives nouvelles dans le domaine des cellules photovoltaïques organiques (PVOs). Cette thèse s'inscrit dans le développement, la caractérisation et l'analyse de couches interfaciales, à base d'oxyde de zinc (ZnO), déposées par pulvérisation cathodique, dans l'élaboration de dispositifs solaires compatibles avec des substrats flexibles et des procédés " roll-to-roll ". Après un état de l'art du domaine, une première étude sera consacrée à l'apport et à l'optimisation des dépôts par pulvérisation cathodique des films de ZnO sur des couches actives de P3HT:PCBM dans le cas de structures conventionnelles. Une seconde partie mettra en évidence l'importance des procédés de recuit des couches de ZnO déposées sur des substrats flexibles ou rigides à base d'ITO pour des structures inverses de cellules PVOs flexibles. Suite à ces études, l'élaboration de ces dispositifs sera testée et validée à partir de techniques inspirées de la lithographie douce. L'interfaçage de nouveaux matériaux tels que le graphène avec de tels couches de ZnO sera également sera abordée lors de ces recherches.

Exploring interfacial layers based on metal oxides opens new perspectives in the field of organic photovoltaic (OPV). This thesis takes place in development, characterization and analysis of Zinc Oxide (ZnO) based interfacial layers, deposited by sputtering in the preparation of solar cells devices compatible with flexible substrates and "roll-to-roll" process. After a state of art, the first study will focus on contribution and optimization of ZnO films sputtered on active layer (P3HT:PCBM) for conventional structures. A second study will highlight the importance of annealing processes of ZnO layers deposited on flexible and rigid substrates based on ITO for inverse flexible solar cells. Following these studies, the development of the devices will be tested and validated using printing techniques inspired from soft lithography. Finally, new materials as graphene will be interfaced with ZnO layers and discuss in this research., L'exploitation des couches interfaciales à base de d'oxydes métalliques ouvre des perspectives nouvelles dans le domaine des cellules photovoltaïques organiques (PVOs). Cette thèse s'inscrit dans le développement, la caractérisation et l'analyse de couches interfaciales, à base d'oxyde de zinc (ZnO), déposées par pulvérisation cathodique, dans l'élaboration de dispositifs solaires compatibles avec des substrats flexibles et des procédés " roll-to-roll ". Après un état de l'art du domaine, une première étude sera consacrée à l'apport et à l'optimisation des dépôts par pulvérisation cathodique des films de ZnO sur des couches actives de P3HT:PCBM dans le cas de structures conventionnelles. Une seconde partie mettra en évidence l'importance des procédés de recuit des couches de ZnO déposées sur des substrats flexibles ou rigides à base d'ITO pour des structures inverses de cellules PVOs flexibles. Suite à ces études, l'élaboration de ces dispositifs sera testée et validée à partir de techniques inspirées de la lithographie douce. L'interfaçage de nouveaux matériaux tels que le graphène avec de tels couches de ZnO sera également sera abordée lors de ces recherches.