Ce travail porte sur la dégradation sous vieillissement photochimique et thermique du MDMO-PPV et du PCBM en présence et en absence d'oxygène. En photo-oxydation, le processus de dégradation du MDMO-PPV provoque la déconjugaison du polymère. Les résultats obtenus nous ont permis de proposer un mécanisme de dégradation dont l'amorçage a été attribué à l'anion superoxyde. En absence d'oxygène, l'éclairement provoque aussi la saturation des doubles liaisons mais avec une vitesse beaucoup plus faible (facteur 1000 environ). Concernant le mélange MDMO-PPV : PCBM, les deux constituants se dégradent simultanément. La présence de PCBM dans la couche active contribue à l'amélioration de la stabilité du polymère principalement grâce à ses propriétés " piège à radicaux". En photo-oxydation la dégradation du polymère est ralentie d'un facteur 15 et en photolyse les modifications de structure chimique restent minimes après 3700 heures de vieillissement artificiel accéléré

Ce travail a été consacré à l'étude de la stabilité photochimique de la couche active des cellules photovoltaïques organiques. L'objectif était d'étudier l'influence de la dégradation de la couche active sur les propriétés d'usage du dispositif, afin de déterminer si la durabilité de cette couche limite ou non la durée de vie des cellules. Les résultats exposés concernent le système poly(3-hexylthiophène) (P3HT) / [6-6]-phényl-C61-butanoate de méthyle (PC60BM). Le comportement photochimique du P3HT a tout d'abord été analysé en présence et en absence d'oxygène. La dégradation photochimique du mélange polymère/ fullerène a ensuite été étudiée sur substrat inerte puis au sein de la cellule. Dans ce second cas, deux critères ont retenu notre attention : l'évolution de l'absorption dans le visible et l'évolution de la morphologie de la couche active. Dans une dernière partie, l'effet du photovieillissement de la couche active sur le rendement de photoconversion des cellules a été mesuré.

Après une introduction générale aux diverses sortes d'ordre et de désordre dans les solides, ainsi qu'à la diffusion des rayons X et à son adéquation pour l'étude de ces phénomènes d'ordre ou de désordre, je présente les deux principaux sujets sur lesquels j'ai travaillé depuis ma thèse : les quasicristaux d'une part, et les fullerènes (C60 pur et composés polymérisés) d'autre part.

Ce travail s'inscrit dans le cadre des études menées pour synthétiser de nouveaux matériaux nanostructurés. Notre but est de comprendre les mécanismes de nucléation et croissance des différentes phases de carbone synthétisées par implantation ionique dans des substrats d'argent portés à haute température (> 400 °C). Des oignons de carbone, des nanocapsules et une couche de carbone amorphe se forment au cours des implantations. L'étude de la formation de ces différentes structures est réalisée à l'aide de deux techniques complémentaires : la microscopie électronique en transmission (MET et METHR) et l'analyse par réaction nucléaire résonante (RNRA). La taille et la microstructure des oignons de carbone, ainsi que la proportion des deux autres composantes, dépendent fortement des paramètres d'implantation. Nous montrons que la formation de la couche de carbone amorphe résulte d'une précipitation préférentielle des atomes de carbone à la surface et aux joints de grains. Pour expliquer la formation des nanocapsules, nous supposons que les atomes de carbone précipitent aux joints de grains nanométriques formant des couches graphitiques autour de ces grains. De manière surprenante, il s'ensuit une éjection du grain de métal encapsulé en dehors de la cage graphitique pour laisser le cœur de la nanocapsule vide. Nous suggérons que la nucléation des oignons de carbone s'effectue en deux étapes. Tout d'abord, le carbone, très peu soluble dans l'argent, précipite majoritairement dans le volume et forme des germes critiques stables à partir d'une concentration critique locale. Ensuite, ces précipités se transforment progressivement en oignons de carbone sous les effets conjugués de l'effet catalytique de la matrice d'argent sur la graphitisation et des déplacements atomiques induits par l'irradiation. Nous proposons que la croissance des oignons de carbone est essentiellement due à la précipitation des nouveaux atomes de carbone sur les oignons déjà formés.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des propriétés structurales et dynamiques, en fonction de la température et de la pression, des structures unidimensionnelles des fullerènes C60 et C70, respectivement de formes sphériques et ellipsoïdales, confinés dans les nanotubes de carbone. Ces nano-hybrides sont communément appelées peapods. La structure des peapods est étudiée à l'aide de la diffraction des rayons X et de la diffraction électronique. La simulation des diagrammes de diffraction permet de déterminer la structure des nanotubes de carbone (rayon moyen (0.7nm), distribution de rayons) ainsi que le taux de remplissage des nanotubes par les fullerènes et le paramètre de maille des chaînes de fullerènes. Dans le cas des peapods de C70, l'orientation des molécules en fonction du diamètre des nanotubes est analysée et la valeur du diamètre « critique » de changement d'orientation est déterminée. Les évolutions de la structure des chaînes de fullerènes (dilatation thermique, polymérisation, coalescence) en fonction de la température et/ou de la pression sont étudiées et comparées pour les deux sortes de fullerènes considérés. Des différences sont observées entre fullerènes C60 et C70 quant à la polymérisation à hautes pressions et températures. Les molécules de C60 polymérisent par cyclo-addition [2+2] dans les nanotubes, mais pas celles de C70, ce résultat étant expliqué par le confinement par le nanotube de carbone. La structure des nanotubes bifeuillets obtenus par la coalescence des chaînes de fullerènes des peapods C60 et C70 à très haute température semble indépendante de la nature des fullerènes. Le rayon moyen des nanotubes internes est estimé à 0.36 nm. Le mécanisme de formation du tube interne est discuté. Finalement la dynamique des peapods est étudiée par diffusion inélastique des neutrons. Une forte mobilité orientationnelle des fullerènes C60 est mise en évidence jusqu'à assez basses températures. Celle-ci est interprétée en considérant le caractère fortement unidimensionnel des chaînes de fullerènes.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude sur une large gamme de températures d'un système unidimensionnel modèle, les nano-peapods de carbone. Ces composés sont constitués de fullerènes (C60, dans notre cas) insérés dans des nanotubes de carbone monofeuillets. Les diamètres des fullerènes et des tubes étant concordant, les fullerènes s'arrangent selon un réseau 1D.Dans le premier chapitre de ce manuscrit, nous décrivons la synthèse des peapods de carbone. Dans les deux chapitres suivants, nous décrivons les différents modèles et méthodes expérimentales qui nous permettent de déterminer l'évolution de la structure moyenne des chaînes de fullerènes, ainsi que la dynamique de rotation et de translation des molécules.Dans les trois derniers chapitres, nous décrivons l'évolution de la structure et de la dynamique des chaînes sur trois gammes de températures, que nous appelons hautes (500-1100 K), basses (0-200 K), et intermédiaires (200-500 K). Les résultats expérimentaux concernant deux types d'échantillons, les peapods monomères et les peapods polymères (dans lesquels les degrés de liberté de rotation sont restreints) sont confrontés à des modèles analytiques. Nous mettons en évidence trois comportements différents des chaînes dans ces trois gammes de température.

Afin d'obtenir une meilleure compréhension de l'étape clé du système photosynthétique (la formation d’un état à charges séparées), une nouvelle famille de systèmes donneur-accepteur supramoléculaires a été préparée.Nous avons notamment acquis une meilleure compréhension de la nature des interactions π-π entre le C60 et les porphyrines (résultant d'un processus régi principalement par des forces de van der Waals) et de l'affinité des éthers couronnes vis-à-vis des fullerènes (résultant d'une combinaison entre interactions π-π, n-π et CH-π). Les propriétés supramoléculaires des dimères de porphyrines ont été aussi explorées, prouvant leur communication électronique à travers leurs sous-unités. Finalement, la coopérativité chélate d'un de nos systèmes a été évaluée par la molarité efficace. / In order to gain a better understanding of the key step of the photosynthetic system (formation of a charged separated stated), a series of new supramolecular crown ether containing donnor-aceptor ensembles have been obtained.Notably we have gained further insight in the nature of π-π stacking between C60 and porphyrins (arising from a process mainly governed by van der Waals forces) and the affinity of crown ethers towards fullerenes(arising from an interplay of π-π, n-π and CH-π interactions). The properties of porphyrin arrays have been explored, evidencing the electronic communication through subunits. Finally, the chelate cooperativity of one our systems has also been assessed through the effective molarity.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Parmi les différentes sources d'énergies renouvelables connues, l'énergie solaire semble être un choix particulièrement intéressant étant donné l'apport énergétique gigantesque fourni à la terre par le soleil. Afin de résoudre certains problèmes reliés à l'utilisation des panneaux solaires à base de silicium, un nouveau dispositif de conversion d'énergie lumineuse en électricité a fait son apparition. En effet, les cellules Gratzel pourraient permettre d'ici quelques années d'effectuer la conversion énergétique à moindre coût et de façon tout aussi efficace. Sur un plan plus fondamental, les cellules Gratzel permettent également d'explorer de nouveaux types d'arrangements moléculaires permettant ainsi de se rapprocher des systèmes photosynthétiques naturels. Dans cette optique, la recherche scientifique s'est grandement intensifiée et l'utilisation de la porphyrine et du fullerène comme couple donneur - accepteur semble être la voie la plus prometteuse pour le moment. Cependant, la disposition de manière définie de ces groupements sur une surface est cruciale pour une conversion énergétique efficace. Malheureusement, on ne contrôle que très sommairement possède encore que très peu de contrôle sur cet aspect du dispositif. L'objectif de ce projet de recherche est d'utiliser des gabarits [3]rotaxane afin de créer des récepteurs pour fullerène, à base de groupement porphyrine, qui permettront un meilleur contrôle de la disposition des espèces actives sur une surface. De plus, l'utilisation d'un gabarit de même type pour la complexation de fullerènes en solution a été tentée. Pour la première fois, il a été démontré qu'un récepteur [3]rotaxane à base de porphyrine peut complexer des fullerènes en solution aussi efficacement que d'autres récepteurs connus. De plus, la possibilité de fonctionnaliser un récepteur [3]rotaxane à base de groupements porphyrine pour fullerènes sur une surface a été démontrée par la post-fonctionnalisation d'une monocouche auto-assemblée par réaction chimique. Finalement, bien qu'une surface ainsi fonctionnalisée soit capable d'accueillir des fullerènes, les études actuelles ne permettent pas de définir avec certitude la position de ceux-ci sur la surface.

Le PCBM (phenyl CÔI butyric methylester) est un dérivé très utilisé comme matériau de type n dans les piles solaires organiques (accepteur d'électrons). Avec les nombreuses recherches effectuées dans le domaine, il est désormais possible d'obtenir d'encourageants taux de conversion de l'énergie solaire en électricité (plus de 7 %). Bien que le PCBM donne de bons résultats, cet accepteur d'électrons n'est pas le composé optimal pour tous les polymères [Pi] -conjugués et une modulation du niveau énergétique de l'orbitale LUMO est souhaitable. L'objectif principal de ce projet est de synthétiser des dérivés solubles du C₆₀ dont l'orbitale LUMO se situe entre -3,7 et -4,0 eV (comparativement à -4,3 eV pour le PCBM) résultant en une augmentation de la valeur du Voc et conséquemment, de l'efficacité du dispositif. Quelques groupes de recherche se sont penchés sur la modulation de l'orbitale LUMO du C₆₀, mais les changements se sont avérés trop faibles pour avoir un impact significatif sur les performances des piles solaires. Cela peut s'expliquer par la faible communication électronique entre les groupements attachés au C₆₀ et le C₆₀ même. En effet, pour le PCBM, deux carbones sp³ lient le groupement au C₆₀, ce qui a comme effet d'empêcher une conduction directe des électrons au fullerène. Dans le cadre de ce projet, nous proposons d'utiliser une liaison conjuguée afin de lier des groupements électrodonneurs au C₆₀. Par cette liaison, seulement un carbone hybride sp est présent pour attacher le groupement. Ceci devrait donc permettre une meilleure conduction des électrons au C₆₀ et, par le fait même, permettre d'améliorer la modulation de l'orbitale LUMO de ce dernier. Nous avons donc effectué la synthèse de plusieurs dérivés contenant divers groupements électro-donneurs et électro-accepteurs pour étudier leur influence sur les niveaux énergétiques du fullerène. La synthèse de ces dérivés a été faite par la réaction d'éthynylation. Les composés obtenus ont été purifiés par chromatographie en phase liquide et complètement caractérisés par spectroscopie UV-visible et électrochimie. De plus, en utilisant la méthode DFT, nous avons comparé les niveaux énergétiques théoriques des nouveaux dérivés aux résultats expérimentaux.

Ce mémoire décrit la synthèse d’hôtes organiques et organométalliques contenant des motifs riches en électrons, particulièrement le tétrathiafulvalène (TTF), pour la complexation supramoléculaire de fullerènes C60 et C70. Le chapitre 1 est une revue de la littérature qui présente les notions de cavitant, de métallocavitant et des hôtes supramoléculaires. Le chapitre 2 présente les méthodes de caractérisation utilisées dans ce travail. Le chapitre 3 est consacré à une nouvelle méthode de synthèse de pinces moléculaires et des récepteurs tripodaux contenant l’unité riche en électrons (TTF). Les pinces triazoles ont été préparées par chimie « clic » entre l'azoture -TTF et des dérivés benzéniques disubstitués en position 1 et 3 par un acétylène. La réaction de l'azoture-TTF et des 1,3, 5-benzènes trisubstitués a donné des récepteurs tripodaux. L'affinité des hôtes avec les fullerènes C60 et C70 a été étudiée par la méthode optique spectroscopique UV-vis dans quatre solvants différents. La constante d’association la plus élevée a été calculée pour l’hôte 4 dans le chlorobenzène. Cependant, le récepteur tripodal n'a pas montré une affinité importante envers les fullerènes. Le chapitre 4 est consacré à la synthèse des nouveaux metallocavitands de zirconium TTF- Zr3 préparés par la méthode d’agrégation. Un seul hôte a été isolé et caractérisé par la méthode spectroscopique. Dans ce chapitre, nous présentons l'étude des interactions supramoléculaires avec les fullerènes en surveillant la réponse UV-vis à l’addition d’une quantité croissante de fullerènes à la solution contenant l’hôte. Le chapitre 5 décrit la synthèse de nouveaux metallocavitants de Zr3 à partir de la réaction de dichlorure de zirconocène sur l'acide carboxylique. Quatre metallocavitants de Zr3 ont été préparés. Les structures cristallographiques, les propriétés photophysiques et leurs utilisations potentielles en tant que matériaux émissifs bleus ont été présentées. Le chapitre 6 est séparé en trois sections. La première section décrit la synthèse et l’affinité de metallocavitant de tantale (V) avec les fullerènes. La deuxième section illustre la tentative de synthèse d’une librairie de Zr3 en utilisant la réaction de couplage croisée. Enfin, la dernière section présente la synthèse du nouveau metallocavitant de Ta3Carbox obtenu par la méthode d’agrégation à partir de la réaction de Cp*TaMe4 avec de l'acide 4 - iodobenzoïque. La structure est étudiée par rayons X. / This thesis described the synthesis of organic and organometallic hosts containing electron rich units in particularly tetrathiafulvalene (TFF) to bind fullerenes C60 and C70. Chapter two illustrates the different analysis techniques used in this thesis. Chapter three described new method for the synthesis of tweezers-like TTF and tripodal TTF molecules in addition to their binding affinity towards fullerenes C60 and C70. The tweezers-like TTF were prepared by click chemistry from azide-TTF and 1,3 substituted benzene. Similarly, the reaction of azide-TTF and 1,3, 5 substituted benzene yielded the tripodal-TTF receptor. The affinity toward fullerenes C60 and C70 were studied in four different solvents. The highest binding constant was calculated for host 4 in chlorobenzene toward fullerene C70. Moreover, solvent dependant behavior was observed with the studied host. However, the tripodal receptor did not showed significant affintity towards fullerenes. Chapter four described the synthesis of new TTF-Zr3 metallocavitand by coordination method; two hosts were isolated and characterized. In this chapter we present the binding study toward fullerenes by monitoring the UV-vis response to increasing amount of fullerenes added to the solution of the host. Chapter five described the synthesis of new Zr3 metallocavitand in one pot reaction from the reaction of zirconocene dichloride with carboxylic acid in aqueous media. Four Zr3 metallocavitand were prepared and the crystallography was presented in addition to the photophysical properties and their potential uses as blue emissive materials. The last chapter is separated into three sections. The first section described our early work on tantalum (V) metallocavitand in addition to their hosting capability toward fullerenes. The second section illustrate the tentative has been committed to the design and synthesis of Zr3 library using cross-coupling reaction in addition to the synthesis of extended Zr3-cinnamate metallocavitand. Lastly, the last section illustrates the synthesis of new Ta3-Carbox achieved by aggregation method from reaction of Cp*TaMe4 with 4-iodobenzoic acid. The single X-ray structure revealed a new structure with trimetallic core comparable to the core observed for tantalum metallocavitand.