L’objet de cette thèse sera de réaliser et d’évaluer un démonstrateur électrochrome dont l’architecture repose sur l’empilement des trois pixels primaires (C) (M) et (J). Chaque pixel est contrôlé indépendamment en imposant une faible tension entre l’électrode frontale (sur laquelle repose le polymère électrochrome) et une contre-électrode. Lors des commutations, le polymère passe d’un état coloré à un état transparent et ce de manière réversible lorsque la tension est inversée aux bornes du dispositif. Plusieurs architectures de la brique pourront être envisagées. Enfin parmi les architectures retenues, les caractéristiques du dispositif seront évaluées essentiellement en terme de coordonnées colorimétriques (CIE L*a*b*), et de contrastes entre deux états optiques. D’autres aspect techniques tels que la tenue au cyclage, le vieillissement, la tenue d’un état optique en circuit ouvert… seront également évalués au cours de projet. / The purpose of this thesis is to implement and evaluate an electrochromic demonstrator whose architecture is based on the stacking of three primary pixels (C) (M) and (J). Each pixel is controlled independently by imposing a low voltage between the front electrode (where the electrochromic polymer is) and the counter-electrode. During switching, the polymer changes from a colored state to a transparent state and reversibly when the voltage is reversed. Several architectures of the brick could be considered. Finally, among the chosen architectures, device characteristics will be primarily evaluated in terms of color coordinates (CIE L * a * b *), and contrasts between the two optical states. Other technical aspects such as cycling, aging and holding an constant optical state in open circuit, will also be evaluated during the project.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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Les matériaux électrochromiques organiques ont été un domaine de recherche novateur au cours des dernières décennies. Ces composés qui répondent à un potentiel appliqué par un changement de couleur sont dits électrochromes. Leur intérêt est principalement dû à leur synthèse facile, à haut rendement et à leur aspect écologique par rapport à leurs homologues inorganiques. En règle générale, ces composés ne changent de couleur qu’avec un potentiel appliqué. Développer des composés qui changent à la fois leur couleur et leur fluorescence avec un potentiel appliqué pour une utilisation dans des dispositifs électrofluorescents reste un défi majeur. Dans cette étude, une série de composés contenant de la triphénylamine (TPA) et du benzothiadiazole (BZT) ont été évalués. Ils ont été couplés à différents groupes terminaux pour moduler les propriétés photophysiques et électrochimiques. Ces composés ont été entièrement caractérisés par spectroscopie d'absorption, spectroscopie de fluorescence, voltammétrie cyclique, spectroélectrochimie et diffraction des rayons X. Cela nous a permis d'examiner l'influence de leur structure sur les propriétés. Cela nous a également permis d'identifier les composés d'intérêt idéaux pour une utilisation dans des appareils fonctionnels. Les dispositifs contenant du TPA et du BZT sont idéalement employée pour la fabrication de « fenêtre intelligente ». Cela est dû à l'activité électrochimique du TPA ainsi qu'à la fluorescence à l'état solide du noyau BZT. Pour améliorer encore les propriétés des dispositifs, un système passif était le but ultime. Cela contraste avec les dispositifs actifs où un potentiel doit être appliqué en continu pour que la couleur induite soit cohérente. Dans ce but, des couches cathodiques ont été préparées et étudiées dans un dispositif et leur utilisation comme réservoir d'ions dans un dispositif électrochromique / électrofluorescent passif a été testée. Les résultats préliminaires ont montré que les dérivés d'anthraquinone avaient des propriétés idéales pour les couches cathodiques. / Organic electrochromic materials have been a hot area of research during the past decades. These compounds that respond to an applied potential with a color change are said to be electrochromic. Their interest is mainly because of the easy synthesis, convenient mass production, and eco-friendly preparation compared to their inorganic counterparts. Typically, these compounds change only their color with an applied potential. To develop compounds that change both their color and their fluorescence with a potential applied for use in electrofluorescent devices remains a major challenge. In this study, a series of compounds containing triphenylamine (TPA) and benzothiadiazole (BZT) were evaluated. They were coupled with different end groups to tune the photophysical and electrochemical properties. These compounds were fully characterized by absorption spectroscopy, fluorescence spectroscopy, cyclic voltammetry, spectroelectrochemistry, and X-ray diffraction along with other techniques. This allowed us to examine the influence of their structure on the properties. It also allowed us to identify the ideal compounds of interest for use in functioning devices. The devices containing TPA and BZT are ideally ‘smart window’ applications. This is due to the electrochemical activity by TPA as well as the solid state fluorescence of the BZT core. To further improve the properties of devices, a passive device was the ultimate goal. This is in contrast to active devices where a potential must be applied continuously for the induced color to be consistent. Towards this goal, cathodic layers were prepared and investigated in a device and their use as an ion reservoir in a passive electrochromic / electrofluorescent device was tested. Preliminary results, showed that anthraquinone derivatives had ideal properties for the cathodic layers.

Les matériaux conjugués sont au centre de la recherche de pointe grâce à leurs propriétés photophysiques et électrochimiques intéressantes, permettant leur inclusion dans divers dispositifs de l’électronique plastique. Les grands défis pour la synthèse de ces nouveaux composés sont la reproductibilité et la purification des matériaux, ainsi que le design intelligent de molécules ayant des propriétés désirées. Afin de pallier à ces problèmes, il est impératif de développer une méthode de synthèse qui ne nécessite pas l’utilisation de conditions drastiques, ni de catalyseurs métalliques dispendieux. L’utilisation de liens azométhines est une solution intéressante, puisque ceux-ci sont formés d’une simple condensation entre une amine et un aldéhyde, que leur seul sous-produit est de l’eau, qu’ils peuvent être synthétisés avec un minimum d’étapes de purifications et qu’ils sont isoélectroniques à leurs analogues vinyliques dont les propriétés sont connues. L’objectif principal de cette thèse est d’évaluer l’effet de l’ajout de groupements électro-donneurs 3,4-éthylène dioxythiophène (EDOT) sur les propriétés opto-électroniques des azométhines dans le but ultime d’incorporer ces matériaux dans des dispositifs électrochromiques stables et efficaces. Ainsi, les propriétés photophysiques et électrochimiques de divers trimères EDOT-azométhine seront présentées. Des analogues vinyliques à des azométhines déjà connus seront développés afin de pouvoir affirmer leur comportement isoélectroniques d’un point de vue opto-électronique. Ces nouveaux composés vinyles permettront d’obtenir un diamino-thiophène pouvant être utilisé comme module pour la synthèse de polyazométhines sur surface. Ces polyazométhines seront inclus dans des dispositifs électrochromiques. Finalement, comme les azométhines ne sont pas fluorescents, l’exaltation de l’émission de bithiophènes modèles à l’aide d’un système donneur-accepteur sera présentée, dans le but ultime de pouvoir appliquer les connaissances obtenues sur les azométhines. En somme, cette thèse explore diverses modulation des propriétés afin d’améliorer le design intelligent de matériaux conjugués. / Conjugated materials have received much attention lately owing to their photophysical and electrochemical properties that make them suitable for use in plastic electronics applications. The challenges for the creation of new materials are to have reproducible synthetic methods that lead to easily purified products, as well as the intelligent design of molecules that have the desired properties. It is important do develop a synthetic method to created conjugated materials that doesn’t require harsh reaction conditions or expensive metal catalysts. Azomethine bonds are a good way to resolve this problem, since they are formed by a simple condensation between an amine and an aldehyde with water as the only by-product. They can also be synthetised with little to no purification steps and they are isoelectronic to vinyl bonds that are well-known and understood. It is also of crucial importance to understand clearly the effet of adding electron-donating and electron-withdrawing groups in the conjugated backbones of such materials. The main objective of this project is to better comprehend the effect of the added 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) electron-donnating group on the opto-electronic properties of azomthine triads for the incorporation of these materials in stable and efficient electrochromic devices. Therefore, the photophysical and electrochemical properties of these materials will be presented. A series of vinyl analogs will be synthesized to confirm their isoelectronic behavior to azomethines in an opto-electronic point of view. These new vinyl compounds lead to the synthesis of a new amino-thiophene derivative that will be used as a building block for on-surface polymerization of azomethines. These polyazomethines will be incorporated in electrochromic devices and their performances will be discussed. Finally, since the azomethines are known not to be highly fluorescent, the fluorescence enhancement of push-pull bithiophene systems will be presented. The knowledge obtained about fluorescence can be used to enhance the fluorescence quantum yields of azomtehines.This thesis will therefore explore diverse tuning of material’s properties to better understand how to cleverly design conjugated materials. / La thèse est divisée en deux parties, soit le texte principal et les annexes afin d'alléger la taille des documents.

Dans le contexte de la mise au point de dispositifs photovoltaïques efficaces, bon marché et respectueux de l’environnement, la synthèse d’oxydes métalliques semi-conducteurs tels que SnO2, Zn2SnO4 et WO3 de morphologies et textures diverses a été développée afin d’élaborer des photoanodes poreuses pour cellules solaires à colorant. D’après les études réalisées par différentes méthodes (MEB, MET, DRX et BET), les matériaux obtenus présentent des caractéristiques texturales, morphologiques et structurales appropriées pour l’application visée. Des cellules solaires à colorant ont donc été réalisées à partir de ces oxydes, puis différents paramètres influençant leurs performances ont été optimisés afin d’améliorer l’efficacité de la conversion photovoltaïque. Notamment l’influence positive de différents traitements des photoanodes (i.e. solution aqueuse de TiCl4 ou traitement à l’eau) sur les rendements de conversion énergétique et la stabilité des dispositifs a été démontrée. Ainsi, des performances comparables ou supérieures à l’état de l’art ont été atteintes pour les systèmes à base de SnO2. Ces performances ont ensuite été interprétées en déterminant les processus électroniques et ioniques ayant lieu dans ces cellules par différentes méthodes physiques (mesures de tension de seuil et de décroissance de circuit-ouvert, spectroscopie d’impédance). Enfin, des électrodes réalisées à partir de WO3 déposé sur substrats flexibles ont démontré des propriétés électrochromes très prometteuses ce qui ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de l’affichage. / In the context of the development of efficient, low-cost and environmentally friendly photovoltaic devices, the synthesis of metal-oxide semiconductors such as SnO2, Zn2SnO4 and WO3 with various textures and morphologies have been developed in order to achieve nanoporous photoanodes for dye-sensitized solar cells. According to studies carried out by different characterization methods (SEM, TEM, XRD and BET), the resulting materials show interesting features for the expected application. Dye solar cells were then fabricated from photoanodes processed with these oxides and several parameters influencing their performance were optimized to improve the overall conversion efficiency. In particular, the beneficial effect of different treatments of the photoanodes (ie aqueous TiCl4 or water treatment) on the power conversion efficiency and the stability of the devices has been evidenced. Thus, state-of-the art or, even, record efficiencies were reached in the case of SnO2-based systems. These performances were then rationalized by determining the electronic and ionic processes occurring in these devices by various physical methods (threshold voltage and open-circuit photovoltage decay measurements, electrochemical impedance spectroscopy). Finally, electrodes based on WO3 and deposited on flexible substrates have shown very promising electrochromic properties, which opens up new prospects in the field of smart displays.

Les matériaux conjugués ont fait l’objet de beaucoup de recherches durant les dernières années. Les nouveaux matériaux présentent des propriétés intéressantes que ce soit au niveau optique, électrique, mécanique ou même les trois en même temps. La synthèse reste la difficulté principale dans la fabrication de dispositifs électroniques. Les méthodes utilisées pour y parvenir sont l’électropolymérisation, le couplage de Suzuki ou de Wittig. Ces techniques comportent encore de nombreuses contraintes et s’avèrent difficilement réalisables à grande échelle. Les thiophènes, les pyrroles et les furanes ont démontré une bonne conductibilité et une bande de conduction basse due à une conjugaison accrue. L’objectif ici est de synthétiser des oligomères principalement composés de thiophènes dans le but d’en caractériser les propriétés spectroscopiques, électrochimiques et de conduction. La synthèse est souvent l’étape délicate de la fabrication de matériaux conjugués. Nous présentons ici une méthode de synthèse simple par modules avec des unités hétérocycliques. Les modules complémentaires sont attachés par condensation entre un aldéhyde et une amine menant à la formation d’un lien robuste, l’azomethine. Les résultats des propriétés photophysiques et électrochimiques de ces matériaux conjugués seront présentés. En ayant recours à différents groupes électrodonneurs et électroaccepteurs, en variant le degré de conjugaison ou en utilisant différents hétérocycles, les propriétés spectroscopiques, électrochimiques et de bande de conduction peuvent être adaptées à volonté, ce qui en fait des matériaux aux propriétés modelables. Ces nouvelles molécules seront analysées pour en déceler les propriétés recherchées dans la fabrication d’OLED. Nous explorerons les domaines de l’oxidation electrochimique réversible et de la polymérisation menant à la fabrication de quelques prototypes simples. / Conjugated materials have received much attention recently as they show promise for industrial applications. These materials are interesting because of the many new possibilities for devices combining unique optical, electrical and mechanical properties. The synthesis is the major difficulty in the fabrication of electronic devices. Usual methods to do so are electropolymerisation, Suzuki or Wittig coupling. Those techniques are full of constraints and are difficult to scale-up. Thiophenes, pyrroles and furans demonstrated good conductibility and low band-gap due to increased conjugation. Our main goal is to synthesize oligomers made principally of thiophene to characterize their spectroscopic, electrochemical and conduction properties. Synthesis is the most important step in the making of conjugated material. A synthetically simple and modular route to novel conjugated material consisting of heterocyclic units is presented. These complementary modules are linked by condensing aldehydes and amines leading to robust azomethine bonds. The resulting photophysical and electrochemical properties of these conjugated materials will be presented. Through the use of different electron donor and acceptor groups, degree of conjugation or by using different heterocycles, the spectroscopic, electrochemical and band-gap properties can be tailored leading to materials with tunable properties. Those new molecules will be analysed to detect properties suitable for OLED fabrication. This presentation will also address the electrochemical reversible oxidation and polymerization of these compounds leading to the making of simple devices.

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Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec le groupe du professeur William Skene. / Le couplage des aldéhydes aryliques et des amines pour donner les azométhines est une alternative intéressante pour la synthèse des comonomères conjugués. Contrairement aux techniques de couplage classiques qui conduisent à des mélanges de produits, il est possible, par cette méthode, d’obtenir sélectivement des composés ciblés et dissymétriques tout en contrôlant la stœchiométrie des réactifs et les solvants. Dans le cadre de nos recherches sur les matériaux fonctionnels ayant des propriétés électrochromiques améliorées, nous avons planifié de conjuguer des thiophènes et des bipyrroles dissymétriques par les liaisons azométhines. Tout d’abord des analogues des 4-méthoxy-2,2’-bipyrroles 1-2 (chapitre 2) et 3-6 (chapitre 3) ont été synthétisés par une voie générale à partir de 4-hydroxyproline et convertis ensuite en dialdéhydes 8-13 (chapitre 3) qui, à leur tour, ont subit des condensations avec différents aminothiophènes pour donner les azométhines conjugués 17-23 (chapitre 3). / The condensation of amine and aldehyde functional groups is an attractive strategy for the synthesis of conjugated, conductive polymers. Unlike conventional coupling techniques that give a mixture of products, selective product formation affording unsymmetric products is possible by controlling the reagent stoechiometry and solvents. A series of such polymers 17-23 (chapter 3) were synthesized by the dehydration of aminothiophenes and a series of asymmetric bisaldehydes 8-13 (chapter 3) featuring an asymmetric 4-methoxy-2,2'-bipyrrole core. The latter was constructed by a general route from 4-hydroxyproline providing derivatives 1-2 (chapter 2) and 3-6 (chapter 3), which were diformylated in the last step to afford the bisaldehyde monomers 8-13 (chapter 3). In the search for functional materials, the electrochromic properties of polymers 17-23 (chapter 3) were evaluated.