Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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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.

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La recherche intensive sur les matériaux conjugués durant les dernières décennies a permis de mettre en évidence la multitude de propriétés opto-électroniques qu’ils peuvent présenter. Leur compatibilité avec des applications dans divers dispositifs électroniques les rend évident comme alternative aux composés inorganiques, et le fait qu’ils ouvrent la porte sur l’électronique plastique assure que la recherche les concernant n’est pas prête de diminuer. L’utilisation de liaisons azométhines en lieu et place des liaisons « tout-carbone » de type vinylène pour la conception de molécules conjuguées est une alternative intéressante aux méthodes conventionnelles pas très éco-responsables habituellement employées, de par la simplicité relative de leur synthèse et purification. En continuité d’études précédentes, ce mémoire a pour objectif l’analyse des propriétés électro- et spectroélectrochimiques de nouveaux oligomères azométhines fonctionnalisés par des amides, en particulier leur propriété d’électrochromisme. L’influence sur ces propriétés de différents groupements électro-donneurs et électro-attracteurs au centre, ainsi qu’aux extrémités est ainsi présentée. L’emphase est portée sur la pérennité de leur changement de couleur lors de multiples cycles d’oxydation-neutralisation. / Intensive research on conjugated materials over the past few decades has highlighted the plethora of opto-electronic properties that these can present. Their compatibility with various electronic devices make them alternatives to inorganic materials, and the fact that they open the path to plastic electronics assures that research about them is not about to diminish soon. Use of azomethine links instead of “all-carbon” vinylene-type double bonds, for the design and conception of conjugated molecules, is a very interesting alternative to the conventional methods, not very eco-friendly, usually employed, mostly due to their relative simplicity in terms of synthesis and purification. Following on previous work, this thesis aim to analyze the electro and spectro-electrochemical properties of a series of new azomethine-oligomeres that are functionalized with amides. Particular emphasis is placed on their electrochromism.. The influence of various electro-donating and electro-attracting groups in the core of the molecules as well as at their termini on the optical and electrochemical properties is presented. The emphasis is placed on demonstrating their robustness and the durability of their color change when undergoing multiple oxidation-neutralization cycles.

Du fait de leur faible coût de production et de leur intégration possible sur substrat flexible, les cellules photovoltaïques organiques sont prometteuses pour répondre aux besoins futurs en énergie. Leurs performances reposent sur l'architecture de la cellule et sur la nature des matériaux choisis. Par conséquent, le contrôle à l'échelle nanométrique de la couche active (formation de nanodomaines purs, organisation moléculaire...), ainsi que le développement de nouvelles molécules aux propriétés électroniques et structurales optimisées apparaissent comme des paramètres clés. Dans ce contexte, les travaux présentés dans cette thèse visent à étudier le lien entre la morphologie des films minces et les propriétés de transport à l'échelle nanométrique en fonction des matériaux actifs utilisés. Pour cela deux voies ont été explorées. La première voie repose sur l'utilisation des propriétés d'auto-organisation des cristaux liquides pour améliorer la formation et l'organisation de nanodomaines. Pour cette étude, nous avons choisi d'associer un donneur d'électron classique, le poly-3-hexylthiophène (P3HT), et de le mélanger avec un complexe de nickel [Ni(4dopedt)2] possédant des propriétés cristallines liquides colonnaires. L'étude par Microscopie à Force Atomique (AFM), Conductive-AFM (C-AFM), absorption UV-visible et spectrométrie Raman des films de mélanges démontre l'effet structurant du cristal liquide sur les chaînes de P3HT, en fonction de l'épaisseur de la couche et des traitements thermiques effectués. La deuxième voie explorée repose sur l'ingénierie moléculaire. Suite à une étude bibliographique, nous avons conçu puis synthétisé différentes petites molécules fluorées capables d'agir comme accepteurs d'électrons. Leur synthèse est réalisée en plusieurs étapes, privilégiant une méthode de couplage innovante, l'hétéroarylation directe. Les molécules obtenues ont été caractérisées par les techniques analytiques classiques, puis soumises à une étude de relation structures/propriétés. D'une part, les analyses optiques, électrochimique et thermique ont révélé leur grande stabilité et leur intérêt potentiel pour l'application visée. D'autre part, leur étude en film mince, par spectroscopie d'absorption UV-visible, de fluorescence et par AFM, révèle l'influence de la substitution du squelette conjugué par des atomes de fluor ainsi que de la modification des chaînes alkyles des groupements terminaux sur les propriétés optoélectroniques et structurelles des molécules. / Organic solar cells appear as a promising technology to meet future energy requirements, owing to their low production costs, their great flexibility and their ability to be integrated into light devices. Their performances rely on their architecture and the nature of the chosen materials. As a consequence, two of the key parameters for their development are the control the active layer at a nanometric scale (molecular organisation and the formation of pure compound nanodomains) and the development of new small molecules with optimized electronic and structural properties. This work comes in that aim : the study of the relation between thin film morphology and transport properties at the nanometric scale as function of the chosen materials. Two ways have been explored. The first way relied on self-organisation properties of a liquid crystal for improving the formation and organisation of nanodomains. In this purpose, we have associated a well-known electron donor, the poly-3-hexylthiophene (P3HT), with a complex of nickel, named as [Ni(4dopedt)2], exhibiting columnar liquid crystal properties. Atomic Force Microscopy (AFM), Conductive-AFM (C-AFM), UV-visible absorption and Raman spectroscopy on bulk films have shown the structuring effect of the liquid crystal on the P3HT chains as a function of the films thicknesses and thermal annealing. The second way was based on molecular engineering. Following a bibliographic study, we have designed and synthetized different fluorinated small molecules with electron acceptor capability. For this, a more economical and cleaner synthesis technique has been employed: the direct arylation. These molecules have been characterized by classical analytic technics, and a study of the relation between structure and properties has been carried out. On the one hand, optical, electrochemical and thermal analyses have shown their good stability and their potential for the aimed application. On the other hand, their study in thin film by UV-visible absorption, fluorescence and AFM have shown the influence of backbone substitution by fluorine atoms as well as the impact of the nature of alkyl end chains on the optoelectronic and structural properties of these molecules.