Les travaux présentés dans ce mémoire sont motivés principalement par le désir de comprendre l'influence de différents paramètres de la structure moléculaire de mésogènes au niveau de la détermination du polymorphisme liquide cristallin, plus particulièrement ceux qui favorisent l'émergence de la phase SmC. La phase SmC est une phase liquide cristalline particulièrement intéressante. Les chercheurs s'y intéressent pour son possible potentiel à générer un matériau avec des propriétés en optique non-linéaire. Les mésogènes qui y sont étudiés comportent un sulfinate d'ester et un éther en périphérie d'un corps rigide possédant trois cycles aromatiques. Deux de ces cycles sont pontés d'un ester qui possèdera un carbonyle soit parallèle ou antiparallèle au sulfinyle du sulfinate d'ester. En 2006 au laboratoire, la stabilisation de la phase SmC a été observée pour une orientation antiparallèle de cet ester au sein de mésogènes comportant un ester en périphérie du corps rigide. La simulation atomistique a permis de comprendre cet effet en termes d'une étude des potentiels électrostatiques à longue portée. Dans cette étude, il a été démontré qu'un fort potentiel électrostatique obtenu par simulation était corrélé avec la présence expérimentale de la phase SmC au sein d'une série de diagrammes de phases. Au moment de confronter ce modèle de simulation atomistique au polymorphisme liquide cristallin d'une série de mésogènes comportant un sulfinate d'ester, les résultats ne se sont pas avérés concluant. La simulation prévoyait une phase SmC pour l'orientation de l'ester central antiparallèle au sulfinate d'ester tandis qu'expérimentalement le contraire était obtenu. Dans le cadre de ce mémoire, cette famille de mésogène a été étudiée par l'entremise de diagrammes de phases binaire et comparés systématiquement la simulation ainsi qu'aux résultats expérimentaux obtenus pour la série comportant un ester périphérique. À toute fin pratique, ces travaux ont permis de réaliser que l'influence de la variation des paramètres structuraux sur la stabilisation thermique de la phase SmC est indépendante de la nature du groupement terminal ester ou sulfinate d'ester à quelques différences près. La corrélation entre la simulation atomistique et l'effet de l'orientation de l'ester central sur l'émergence de la phase SmC a pu être faite levant ainsi l'ambiguïté qui perdurait depuis 2006.

Le contrôle de l’alignement des molécules de cristaux liquides (CL) est d’une importance majeure pour la plupart des applications électro-optique comme les afficheurs, les modulateurs et les atténuateurs variables. Ce contrôle est réalisé plus spécifiquement par les interactions entre les molécules de CL et la surface adjacente. L’alignement par la surface est ainsi un des facteurs clés pour l’amélioration des performances des systèmes basés sur les CL. Cette thèse rapporte une étude expérimentale sur le contrôle de l’alignement des molécules de CL par la surface, et explore des avenues pratiques. Dans un premier temps, des CL nématiques à double fréquence (DF-NLC) et des films minces de mésogènes réactifs (MR) déposés sur la surface intérieure d’une cellule, ont été utilisés pour produire des structures polymères stabilisées en surface. Pour former ces structures, une interpénétration partielle entre les molécules de CL et de MR a été réalisée pendant l’application d’un couple diélectrique (positif ou négatif) sur le système de matériau. Après une courte période d’interpénétration entre la couche de MR et les CL, une exposition UV a été appliquée pour polymériser totalement le système de matériau. Ces systèmes ont démontré un fort potentiel pour le contrôle de l’alignement des CL par la surface. Ils permettent la « programmation » de cellule de CL présentant une diffusion de la lumière électriquement contrôlable, pouvant être utilisé dans des applications telles que des fenêtres intimités et l’éclairage intelligent. Des analyses électro-optiques et microscopiques ont été faites pour caractériser ces structures. Nous avons montré que les modulations de contraste de la lumière diffusée, ainsi que la dépendance de la polarisation et les temps de réponses peuvent être améliorées de façon notable par le contrôle à double fréquence. Dans un deuxième temps, des CL chiraux double fréquence (DF-CLC) ont été utilisé pour produire des structures stabilisées en surface, qui, en addition d’une diffusion contrôlable, ont montré des phénomènes de réflexion résonante. Des couches de MR orientées et partiellement polymérisées furent utilisées comme couche d’alignement pour les DF-CLC. Le rôle du temps de pré-polymérisation des MR sur les propriétés des cellules ont été étudiées par des analyses électro-optiques et spectroscopiques. Nos études morphologiques ont démontré que l’interdiffusion des molécules entre la couche de MR et le volume des CL durant le procédé de programmation génère des agrégats polymères sur les surfaces internes de la cellule, qui sont à l’origine de la diffusion contrôlable de la lumière. / The alignment control of liquid crystal (LC) molecules is of great importance for the most of LC based electro-optical applications such as displays, modulators, and variable attenuators. This control realises, particularly, by the interactions between LC molecules and the adjacent surface. This makes the surface alignment one of the key factors for the improvement of LC-based devices’ performance. This PhD thesis reports an experimental study of alignment control of LC molecules by surfaces, and explores the possibility of practical avenues. First, dual frequency nematic LCs (DF-NLC) and thin reactive mesogen (RM) films, cast on internal surfaces of cell substrate, were used to build surface polymer stabilized structures. To form these surface-stabilized structures, a partial interpenetration between the LC and RM molecules was allowed while applying an orienting dielectric torque (positive or negative) to the material system. Then, after a short interpenetration period between the RM layer and the bulk LC, UV exposition was added to definitely cure the material system. These systems demonstrated great potential for the surface alignment control of LCs, enabling the ‘‘programming’’ of LC cells with electrically controllable light scattering, which can be used in privacy windows and smart lighting applications. Electro-optic and microscopic studies were done to characterize these surface-stabilized structures. We showed that the contrasts of light scatter modulation, polarization dependence and response times can be noticeably improved by the dual-frequency control. Afterward, dual frequency chiral LCs (DF-CLC) were used to build surface-stabilized structures, which in addition to the controllable scattering, showed also resonant reflection phenomenon. Partially cured and oriented RM layers were used as alignment layers for DF-CLC. The role of the pre-curing duration of RM in the behavior of the cell was observed by electro-optical and spectroscopic studies. Our morphological studies showed that the molecular interdiffusion between RM layer and bulk LC during the programming process generates polymer aggregates on the cell’s internal surfaces, which are at the origin of formation of controllable light scattering.

Nous examinons la possibilité de créer de nouveaux composants électro-optiques à l’aide de surfaces mésogènes contrôlées par champs électromagnétiques. Ces surfaces programmées ont comme fonction d’imposer une orientation sur le volume de cristal liquide lui étant juxtaposé afin de produire les propriétés électro-optiques désirées. L’étendue et l’efficacité de ces propriétés ont un impact technologique important par exemple dans le domaine des afficheurs à cristaux liquides et des atténuateurs optiques variables. Plus spécifiquement, cette recherche analyse l’interaction de surface entre le substrat mésogène et le cristal liquide ainsi que les diverses avenues pratiques en découlant. Par exemple, l’importance de l’interdiffusion entre ces deux milieux sera détaillée et liée à la création de réseaux autoorganisés en surface. Ce phénomène précurseur permet la création d’un système composite novateur de cristaux liquides stabilisés par surfaces mésogéniques avec comme application les atténuateurs électro-optiques. / We investigate the possibility of creating new electro-optical components using mesogenic surfaces controlled by electromagnetic fields. These programmed surfaces have the function of imposing an alignment on the juxtaposed volume of liquid crystal to produce the desired electro-optical properties. The extent and effectiveness of these properties have a great technological impact such as in the field of liquid crystal displays and variable optical attenuators. More specifically, this research addresses the surface interaction between the mesogen substrate and the liquid crystal and various practical avenues resulting therefrom. For example, the importance of interdiffusion between those two materials will be detailed and linked to the creation of surface self-organizing networks. This original phenomenon allows the creation of a surface - polymer stabilized liquid crystal composite which is applied to electro-optical attenuators.

Grace à leurs propriétés d’auto-réparation et d’auto-organisation, les matériaux pi-conjugués liquide-cristallins (LCs) présentent un grand intérêt pour l’élaboration de matériaux semi-conducteurs à hautes performances. Ils peuvent être utilisés pour différents types d’applications en électronique organique telles que les cellules solaires (OPV), les diodes électroluminescentes (OLED) et les transistors à effet de champs (OFET). Dans ce travail, nous avons conçu et préparé une nouvelle famille de LCs combinant des entités pi-conjuguées de type calamitique et discotique au sein d’une architecture moléculaire unique. Plus particulièrement, nous avons imaginé trois différentes architectures telles que des dyades et triades linéaires et des triades ramifiées, incluant des dérivés discotiques de pérylène ou de triphénylène et des dérivés calamitiques de terthiophène, de benzothienobenzothiophène ou encore de pyromellitique. L’objectif était d’étudier leurs comportements liquide-cristallins et leurs propriétés d’auto-organisation et de transport de charges.Les résultats obtenus ont montré que ces matériaux donnent des auto-assemblages complexes formant des arrangements multi-lamellaires de bicouches, dans lesquelles les entités calamitiques et discotiques présentent une organisation dans le plan. De plus, en choisissant judicieusement les entités pi-conjuguées calamitiques et discotiques (type-p ou type-n), nous avons démontré que ce type de matériaux auto-organisés peut présenter des propriétés de transport de charge ambipolaire en formant des chemins distincts pour chaque type de charge (trou et électron) par nano-ségrégation de ces entités de type p et de type n. / Due to their self-healing ability and their self-organization property, pi-conjugated liquid crystals (LCs) are materials of great interest to prepare high performance semiconducting materials. They can be used in different types of organic electronic applications such as solar cells (OPV), Organic Light-Emitting Diodes (OLED) and Organic Field-Effect Transistors (OFET). In this work, we were interested in designing and preparing a novel family of LCs combining π-conjugated discotic and calamitic moieties in a unique molecular architecture. More particularly, we designed three different molecular architectures based on a linear dyad, triad and a branched triad, which include discotic triphenylene or perylene and calamitic terthiophene, benzothienobenzothiophene or pyromellitic moieties. The objective was to study their liquid crystalline behaviors and their self-organization and charge transport properties.Based on our results, we demonstrated that these materials can form complex self-assemblies in the bulk such as multi-lamellar arrangements presenting bilayered lamellar phases with in-layer organization of both calamitic and discotic species. In addition, based on the appropriate choice of the disk- and rod-like π-conjugated cores (p-type or n-type), we showed that this kind of self-organized materials could exhibit ambipolar charge transport properties, presenting a spontaneous nanosegregation of p-type and n-type entities in bulk, and leading to well-defined distinct conductive channels for each type of charge carriers (hole and electron).