Highly fluorescent conjugated polymers (CPs) are an important class of biomaterials used for various biological applications including labelling, sensing, and delivery of biological substances. Synthetic versatility and tunable emission make CPs a superior class of biomaterials. Understanding the structure-function relationship of CPs plays a vital role in designing high performing biomaterials. The cationic CPs are self-assembled to conjugated polymer nanoparticles (CPNs) in an aqueous environment due to their amphiphilicity. The physical and biophysical properties of CPNs are highly dependent on the chemical functionality and backbone structure of CPs. Modulation of the surface property and backbone structure of CPNs play an important role for efficient internalization of CPNs into cells. The goal of this dissertation is to understand the structure function relationship of CPNs in an aqueous environment and the change in their photo physical properties upon the self-assembly of CPNs with different backbone structure upon complexation with biologically significant polysaccharides and cell membrane. This work presents the self-assembly of a set of four cationic CPs with different connectivity and backbone structure upon complexation with a linear polyanion hyaluronic acid (HA). The study of photo physical properties changes upon the complexation with series of Glycosaminoglycans (GAGs) provides more insight about how the self-assembly behavior of cationic CPs changes upon the exposure to negatively charged polysaccharides. The understanding of the self-assembly of CPNs with negatively charged biologically important macromolecules under in vitro conditions can give us an idea of photophysical property changes of CPNs during the treatment of CPNs in the cellular environment. The study of the interaction of CPNs with cell membranes using scanning ion conductance microscopy (SICM)-based topography, potential mapping, and confocal microscopy imaging is presented. CPNs are able to induce transient pore like feature formation on the cell membrane during the cellular internalization process. A comparative study of cellular labelling and delivery of siRNA of five CPNs with guanidine motif is presented. The subcellular localization and delivery of siRNA were dependent on the side chain hydrophilicity. The CPNs fabricated with hydrophilic aminoethoxyethanol possesses excellent cellular imaging with higher siRNA delivery.

Dans ce travail nous démontrons, au travers de deux études, l'intérêt fondamental du couplage des techniques de photoémission résolue en angle (ARPES) et de spectroscopie tunnel (STS) dans l'analyse des propriétés électroniques d'interfaces nanostructurées. Dans la première partie, nous présentons une méthodologie permettant de déduire le potentiel de surface induit par la reconstruction triangulaire d'une monocouche d'Ag/Cu(111). Cette méthode est basée sur la mesure des gaps caractérisant la structure de bande de l'état de Shockley du système aux points de haute symétrie de la zone de Brillouin. L'évaporation d'adatomes de potassium permet d'augmenter le nombre de gaps accessibles en photoémission en décalant les bandes vers les états occupés. Dans un modèle d'électrons presque libres, leur amplitude nous donne accès aux premières composantes de Fourier du potentiel. La reconstruction de ce dernier dans l'espace direct nous permet ensuite de calculer la densité d'états locale que nous comparons aux mesures de conductance STS. La seconde partie est consacrée à l'étude de la croissance et des propriétés électroniques des molécules de 1,4-dibromobenzène (DBB) et 1,4-diiodobenzène (DIB) évaporées sur Cu(110). Leur dépôt à température ambiante sur la surface entraîne la déshalogénation des molécules et la formation de phases organométalliques. A 200°C, le système polymérise pour former des chaînes unidimensionnelles de poly(p-phénylène) parfaitement alignées. Les mesures ARPES révèlent l'existence d'une bande pi unidimensionnelle d'états HOMOs dispersant sous le niveau de Fermi. En STS, nous observons également, pour des petites chaînes, le confinement des états LUMOs dans la partie inoccupée du spectre. Le déconfinement de ces états pour les grandes chaînes conduit à la formation d'une bande continue croisant le niveau de Fermi, conférant au polymère un caractère métallique 1D. Le gap HOMO-LUMO est alors mesuré à 1.15 eV / In this work, through two different studies, we demonstrate the fundamental interest in the coupling of angle resolved photoemission (ARPES) and scanning tunneling spectroscopy (STS) to investigate the electronic properties of nanostructured interfaces. In the first part we present a methodology to determine the surface potential of the triangular reconstructed one monolayer of Ag/Cu(111) interface from ARPES. This method is based on the measurement of the Shockley state band structure’s gaps at the high symmetry points of the Brillouin zone. Deposition of potassium adatoms allows us to shift the surface state towards higher binding energies in order to increase the number of accessible gaps in photoemission. From the magnitude of these gaps we deduce the two first Fourier components of the potential felt by electrons using the nearly free electron model. Then we reconstruct it and calculate the local density of states in order to compare it with the conductance maps probed by STS. In the second part we report the study of the growth and the electronic properties of the two molecules 1,4-dibromobenzene (DBB) and 1,4-diiodobenzene (DIB) evaporated on Cu(110). For room temperature deposition, we first observe their deshalogenation and the formation of an intermediate organometallic phase. Then, above 200°C, the system polymerizes into a long-range ordered array of one dimensional poly(p-phenylene) polymer. ARPES intensity maps allowed us to identify a one dimensional graphene-like strongly dispersive pi-band below the Fermi energy. By STS we also observed LUMOs confined states for small chains over the Fermi level. The loss of confinement for long chains induces the formation of a continuous dispersive band which crosses the Fermi energy, conferring a 1D metallic character to the polymer. The HOMO-LUMO gap is found to be 1.15 eV

Os objetivos do presente trabalho consistem na síntese de dois polímeros - poli(2,1,3-benzotiadiazol-4,7-ilenovinileno-alt-9,9-n-dioctil-2,7-fluorenilenovinileno) (PBTDV-alt-PDO27FV) e poli[4,7-(2,1,3-benzotiadiazolileno)-alt-(2,5-dioctilóxi-1,4- fenilenovinileno)] (PBTDV-alt-PDOPPV) - cinco oligômeros - 4,7-bis(2-(9,9-n-dioctil-9H-fluoren-2-il)vinil)2,1,3-benzotiadiazol (FBF); 2,7-bis(2-(2,1,3-benzotiadiazol-4-il)vinil)9,9-n-dioctil-9H-fluoreno (BFB); 4-(2-(9,9-n-dioctil-9H-fluoren-2-il)vinil)2,1,3-benzotiadiazol (FB); 1,2-bis(9,9-n-dioctil-9H-fluoren)2-vinileno (FF) e 2,2\'-(2,2\'-(9,9-n-dioctil-9H-fluoreno)2,7-bis(vinileno)bis(9,9-n-dioctil-9H-fluoreno) (FFF) - e três small molecules - 7,7\'-(4,4-bis(2-etil-hexil)-4H-silolo[3,2-b-:4,5-b\']ditiofen-2,6-diil)bis(6-fluoro-4-(5\'-hexil-[2\'-tiofeno-2\'-tiazol]-5-il)benzo[c][1,2,5]tiadiazol (G37FBT); 7,7\'-(4,4-bis(2-etil-hexil)-4H-silolo[3,2-b-:4,5-b\']ditiofen-2,6-diil)bis(6-fluoro-4-(2\'-isobutil-[5\',2\'-ditiazol])-5-il)benzo[c][1,2,5]tiadiazol (J1) e 7,7\'-(4,4-bis(2-etil-hexil)-4H-silolo[3,2-b-:4,5-b\']ditiofen-2,6-diil)bis(5\'-hexil-[2,2\'-bitiofeno]-5- bis(il)benzo[c][1,2,5]tiadiazol) (J2) - seguida da aplicação desses materiais em dispositivos fotovoltaicos e magnetorresistivos e em sensores de gás. Os polímeros e oligômeros preparados são derivados de poli(p-fenilenovinileno) e contêm unidades de fluoreno e/ou 2,1,3-benzotiadiazol, tendo sido empregada, na etapa final de cada síntese, reação de Wittig visando ao acoplamento e à formação das duplas vinilênicas. As small molecules, preparadas por meio de sucessivas formações de organo-estananas e reações de Stille, também foram sintetizadas com sucesso e em rendimentos apreciáveis. A espécie J2 não foi preparada com sucesso, obtendo-se, em contrapartida, um análogo dessa molécula, que foi devidamente isolado e caracterizado. No que tange à aplicação dos materiais em dispositivos fotovoltaicos, os resultados até então obtidos mostraram-se inconclusivos, sendo digno de nota, no entanto, que o estudo continua sendo conduzido por colaboradores. O trabalho de aplicação dos materiais em dispositivos magnetorresistivos apresentou resultados interessantes para os oligômeros FBF, BFB, FFF e FF, visto que dispositivos fabricados a partir das referidas espécies mostraram variação em seus valores de corrente elétrica quando submetidos a campo magnético de 200 mT. Por fim, foram desenvolvidos narizes eletrônicos com duas finalidades distintas: (a) identificação de diferentes espécies de madeira de interesse ambiental e (b) estudo da influência da atividade física no indivíduo por meio da análise do suor. Os sensores de gás foram preparados por meio da deposição de finos filmes de materiais orgânicos conjugados dopados sobre a superfície de eletrodos interdigitados. No estudo acerca da identificação de espécies de madeira, a análise de leave-one-out revelou 100 % de taxa de acerto na diferenciação entre as espécies angelim, cedro-rosa, imbuia e perobinha. O estudo da influência da atividade física no indivíduo também se mostrou promissor na medida em que identificou os diferentes estágios do exercício físico com taxa de acerto de 93 %, também definida pela técnica estatística de leave-one-out. / The present work consists on the synthesis of two polymers - poly(2,1,3- benzothiadiazole-4,7-ylenevinylene-alt-9,9-n-dioctyl-2,7-fluorenylenevinylene) (PBTDV-alt-PDO27FV) and poly[4,7-(2,1,3-benzothiadiazole-ylene)-alt-(2,5-dioctyloxy-1,4-phenylenevinylene)] (PBTDV-alt-PDOPPV) - five oligomers - 4,7-bis(2-(9,9-n-dioctyl- 9H-fluorene-2-yl)vinyl)2,1,3-benzothiadiazole (FBF); 2,7-bis(2-(2,1,3- benzothiadiazole-4-yl)vinyl)9,9-n-dioctyl-9H-fluorene (BFB); 4-(2-(9,9-n-dioctyl-9H-fluorene-2-yl)vinyl)2,1,3-benzothiadiazole (FB); 1,2-bis(9,9-n-dioctyl-9H-fluorene)2- vinylene (FF) and 2,2\'-(2,2\'-(9,9-n-dioctyl-9H-fluorene)2,7-bis(vinylene)bis(9,9-n-dioctyl-9H-fluorene) (FFF) - and three small molecules - 7,7\'-(4,4-bis(2-ethyl-hexyl)-4H-silolo[3,2-b-:4,5-b\']dithiophene-2,6-diyl)bis(6-fluoro-4-(5\'-hexyl-[2\'-thiophene-2\'- thiazole]-5-yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole (G37FBT); 7,7\'-(4,4-bis(2-ethyl-hexyl)-4H-silolo[3,2-b-:4,5-b\']dithiophene-2,6-diyl)bis(6-fluoro-4-(2\'-isobutyl-[5\',2\'-dithiazole]-5-yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole (J1) and 7,7\'-(4,4-bis(2-ethyl-hexyl)-4H-silolo[3,2-b-:4,5-b\']dithiophene-2,6-diyl)bis(5\'-hexyl-[2,2-bithiophene]-5-bis(yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole) (J2) - followed by the application of such materials in organic photovoltaics (OPV), magnetoresistive devices and gas sensors. The polymers and oligomers are all poli(p-phenylenevinylene)s derivatives containing 2,1,3-benzothiadiazole and/or substituted fluorene units in the main chain. Those materials\' preparation comprises a coupling Wittig reaction as the key step, through which the vinylenic bonds are formed. The small molecules mentioned above were synthesized by successive organostannane preparations followed by cross-coupling Stille reactions, leading to the target-compounds in considerably high yields. Although the route is a very useful methodology for synthesizing organic conjugated small molecules, J2 was not successfully prepared. The reaction led to a J2 analogue instead, that was properly isolated and characterized. The application of the cited materials in organic photovoltaics (OPVs) is still in progress, since the study has shown inconclusive results so far. The study of the organic magnetoresistive properties of the synthesized materials has led to interesting results for the oligomers FBF, BFB, FFF and FF. The devices containing those compounds in their active layers presented considerable variations in their electric current values when submitted to a magnetic field of 150 mT magnitude. Finally, electronic noses for two different applications were developed: (a) the identification of wood species that can be easily mistaken and (b) the study of exercise physiology through analyses of sweat samples. The gas sensors were prepared by the deposition of doped organic conjugated materials thin films onto the surface of intedigitated electrodes. The study on the differentiation of several species of wood showed 100 % rate of hits determined by leave-one-out statistics analysis. The study on the exercise physiology was also promising since it allowed the identification of the three different stages of the physical exercise with a 93 % rate of hits, also determined by leave-one-out methods. Thus, both studies suggest that the electronic nose can be a powerful tool to study many different targets in which the release of volatile compounds is involved

O poli (p-fenilenevinileno), ou PPV, é um polímero de grande relevância tecnológica devido a suas propriedades eletroluminescentes, que têm sido exploradas em diodos emissores de luz orgânicos, displays flexíveis e outros dispositivos optoeletrônicos. Embora o PPV seja um material de importância para muitas aplicações, a sua síntese na nano/microescala não pode ser obtida através do método padrão, o qual utiliza o aquecimento de um polímero precursor poli (cloreto de xileno tetrahidrotiofenio) (PTHT). Este trabalho mostra como a microestruturação com pulsos de femtosegundo pode ser empregada para a síntese de PPV em regiões pré-determinadas, empregando três diferentes abordagens, permitindo uma nova metodologia para a fabricação precisa de microcircuitos poliméricos complexos, (i) na primeira abordagem, o processo de conversão é obtido pela irradiação de filmes de PTHT com pulsos laser ultracurtos em regiões previamente determinadas, o que leva ao controle espacial da formação de PPV em microescala, (ii) na segunda abordagem, microestruturas tridimensionais dopadas com PTHT foram fotopolimerizadas por absorção de dois fótons. A conversão de PTHT para PPV nestas microestruturas dopadas foi obtida após um tratamento térmico, (iii) na terceira abordagem, a transferência direta induzida por laser (LIFT) com pulsos de femtossegundos permite a deposição controlada de PPV com alta resolução espacial, fornecendo micropadrões 2D, preservando sua estrutura e propriedades ópticas. As estruturas foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura, microscopia óptica de transmissão, microscopia de fluorescência e microscopia confocal de fluorescência. Suas propriedades ópticas foram analisadas através de sistemas de micro-fotoluminescência e micro-absorção implementadas em um microscópio invertido. Medidas de espectroscopia Raman, microscopia de força atômica e medidas elétricas também foram realizadas. Este trabalho mostra como a microestruturação com laser de fs pode ser explorada para a síntese de PPV em regiões pré-determinadas para fabricar uma variedade de microdispositivos, abrindo novos caminhos na optoeletrônica baseada em polímeros. / Poly(p-phenylenevinylene), or PPV, is a polymer of great technological relevance due to its electroluminescent properties, which have been exploited in organic light emitting diodes, flexible displays and other optoelectronic devices. Although PPV is a material of foremost importance for many applications, its synthesis at the nano/micro scale cannot be achieved through the standard method that uses heating of a precursor polymer poly(xylene tetrahydrothiophenium chloride)(PTHT). This work demonstrates the use of direct laser writing with femtosecond pulses to obtain the synthesis of PPV in pre-determined regions, by applying three different approaches, allowing the precise fabrication of complex polymeric microcircuits, (i) in the first approach the conversion process is achieved by irradiating PTHT films with ultra-short laser pulses in previously determined regions, which leads to the spatial control of PPV formation at microscale, (ii) in the second approach, three-dimensional microstructures doped with PTHT were photopolymerized by two photons absorption. The conversion of PTHT to PPV in these doped microstructures was obtained by a subsequent thermal treatment, (iii) in the third approach, laser-induced forward transfer (LIFT) with femtosecond pulses enables the controlled deposition of PPV with high spatial resolution, providing 2D micropatterns, while preserving its structure and optical properties. The structures were characterized by scanning electron, fluorescence, transmission and confocal fluorescence microscopies. Their optical properties were analyzed by micro-photoluminescence and micro-absorption setups assembled on an inverted microscope. Raman spectroscopy, electrical measurements and atomic force microscopy were also performed. This thesis shows the use of fs-laser writing methods for the synthesis of PPV in pre-determined regions, to fabricate a variety of microdevices, thus opening new avenues in polymer-based optoelectronics.

Os objetivos do presente trabalho consistem na síntese de dois polímeros - poli(2,1,3-benzotiadiazol-4,7-ilenovinileno-alt-9,9-n-dioctil-2,7-fluorenilenovinileno) (PBTDV-alt-PDO27FV) e poli[4,7-(2,1,3-benzotiadiazolileno)-alt-(2,5-dioctilóxi-1,4- fenilenovinileno)] (PBTDV-alt-PDOPPV) - cinco oligômeros - 4,7-bis(2-(9,9-n-dioctil-9H-fluoren-2-il)vinil)2,1,3-benzotiadiazol (FBF); 2,7-bis(2-(2,1,3-benzotiadiazol-4-il)vinil)9,9-n-dioctil-9H-fluoreno (BFB); 4-(2-(9,9-n-dioctil-9H-fluoren-2-il)vinil)2,1,3-benzotiadiazol (FB); 1,2-bis(9,9-n-dioctil-9H-fluoren)2-vinileno (FF) e 2,2\'-(2,2\'-(9,9-n-dioctil-9H-fluoreno)2,7-bis(vinileno)bis(9,9-n-dioctil-9H-fluoreno) (FFF) - e três small molecules - 7,7\'-(4,4-bis(2-etil-hexil)-4H-silolo[3,2-b-:4,5-b\']ditiofen-2,6-diil)bis(6-fluoro-4-(5\'-hexil-[2\'-tiofeno-2\'-tiazol]-5-il)benzo[c][1,2,5]tiadiazol (G37FBT); 7,7\'-(4,4-bis(2-etil-hexil)-4H-silolo[3,2-b-:4,5-b\']ditiofen-2,6-diil)bis(6-fluoro-4-(2\'-isobutil-[5\',2\'-ditiazol])-5-il)benzo[c][1,2,5]tiadiazol (J1) e 7,7\'-(4,4-bis(2-etil-hexil)-4H-silolo[3,2-b-:4,5-b\']ditiofen-2,6-diil)bis(5\'-hexil-[2,2\'-bitiofeno]-5- bis(il)benzo[c][1,2,5]tiadiazol) (J2) - seguida da aplicação desses materiais em dispositivos fotovoltaicos e magnetorresistivos e em sensores de gás. Os polímeros e oligômeros preparados são derivados de poli(p-fenilenovinileno) e contêm unidades de fluoreno e/ou 2,1,3-benzotiadiazol, tendo sido empregada, na etapa final de cada síntese, reação de Wittig visando ao acoplamento e à formação das duplas vinilênicas. As small molecules, preparadas por meio de sucessivas formações de organo-estananas e reações de Stille, também foram sintetizadas com sucesso e em rendimentos apreciáveis. A espécie J2 não foi preparada com sucesso, obtendo-se, em contrapartida, um análogo dessa molécula, que foi devidamente isolado e caracterizado. No que tange à aplicação dos materiais em dispositivos fotovoltaicos, os resultados até então obtidos mostraram-se inconclusivos, sendo digno de nota, no entanto, que o estudo continua sendo conduzido por colaboradores. O trabalho de aplicação dos materiais em dispositivos magnetorresistivos apresentou resultados interessantes para os oligômeros FBF, BFB, FFF e FF, visto que dispositivos fabricados a partir das referidas espécies mostraram variação em seus valores de corrente elétrica quando submetidos a campo magnético de 200 mT. Por fim, foram desenvolvidos narizes eletrônicos com duas finalidades distintas: (a) identificação de diferentes espécies de madeira de interesse ambiental e (b) estudo da influência da atividade física no indivíduo por meio da análise do suor. Os sensores de gás foram preparados por meio da deposição de finos filmes de materiais orgânicos conjugados dopados sobre a superfície de eletrodos interdigitados. No estudo acerca da identificação de espécies de madeira, a análise de leave-one-out revelou 100 % de taxa de acerto na diferenciação entre as espécies angelim, cedro-rosa, imbuia e perobinha. O estudo da influência da atividade física no indivíduo também se mostrou promissor na medida em que identificou os diferentes estágios do exercício físico com taxa de acerto de 93 %, também definida pela técnica estatística de leave-one-out. / The present work consists on the synthesis of two polymers - poly(2,1,3- benzothiadiazole-4,7-ylenevinylene-alt-9,9-n-dioctyl-2,7-fluorenylenevinylene) (PBTDV-alt-PDO27FV) and poly[4,7-(2,1,3-benzothiadiazole-ylene)-alt-(2,5-dioctyloxy-1,4-phenylenevinylene)] (PBTDV-alt-PDOPPV) - five oligomers - 4,7-bis(2-(9,9-n-dioctyl- 9H-fluorene-2-yl)vinyl)2,1,3-benzothiadiazole (FBF); 2,7-bis(2-(2,1,3- benzothiadiazole-4-yl)vinyl)9,9-n-dioctyl-9H-fluorene (BFB); 4-(2-(9,9-n-dioctyl-9H-fluorene-2-yl)vinyl)2,1,3-benzothiadiazole (FB); 1,2-bis(9,9-n-dioctyl-9H-fluorene)2- vinylene (FF) and 2,2\'-(2,2\'-(9,9-n-dioctyl-9H-fluorene)2,7-bis(vinylene)bis(9,9-n-dioctyl-9H-fluorene) (FFF) - and three small molecules - 7,7\'-(4,4-bis(2-ethyl-hexyl)-4H-silolo[3,2-b-:4,5-b\']dithiophene-2,6-diyl)bis(6-fluoro-4-(5\'-hexyl-[2\'-thiophene-2\'- thiazole]-5-yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole (G37FBT); 7,7\'-(4,4-bis(2-ethyl-hexyl)-4H-silolo[3,2-b-:4,5-b\']dithiophene-2,6-diyl)bis(6-fluoro-4-(2\'-isobutyl-[5\',2\'-dithiazole]-5-yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole (J1) and 7,7\'-(4,4-bis(2-ethyl-hexyl)-4H-silolo[3,2-b-:4,5-b\']dithiophene-2,6-diyl)bis(5\'-hexyl-[2,2-bithiophene]-5-bis(yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole) (J2) - followed by the application of such materials in organic photovoltaics (OPV), magnetoresistive devices and gas sensors. The polymers and oligomers are all poli(p-phenylenevinylene)s derivatives containing 2,1,3-benzothiadiazole and/or substituted fluorene units in the main chain. Those materials\' preparation comprises a coupling Wittig reaction as the key step, through which the vinylenic bonds are formed. The small molecules mentioned above were synthesized by successive organostannane preparations followed by cross-coupling Stille reactions, leading to the target-compounds in considerably high yields. Although the route is a very useful methodology for synthesizing organic conjugated small molecules, J2 was not successfully prepared. The reaction led to a J2 analogue instead, that was properly isolated and characterized. The application of the cited materials in organic photovoltaics (OPVs) is still in progress, since the study has shown inconclusive results so far. The study of the organic magnetoresistive properties of the synthesized materials has led to interesting results for the oligomers FBF, BFB, FFF and FF. The devices containing those compounds in their active layers presented considerable variations in their electric current values when submitted to a magnetic field of 150 mT magnitude. Finally, electronic noses for two different applications were developed: (a) the identification of wood species that can be easily mistaken and (b) the study of exercise physiology through analyses of sweat samples. The gas sensors were prepared by the deposition of doped organic conjugated materials thin films onto the surface of intedigitated electrodes. The study on the differentiation of several species of wood showed 100 % rate of hits determined by leave-one-out statistics analysis. The study on the exercise physiology was also promising since it allowed the identification of the three different stages of the physical exercise with a 93 % rate of hits, also determined by leave-one-out methods. Thus, both studies suggest that the electronic nose can be a powerful tool to study many different targets in which the release of volatile compounds is involved

O poli (p-fenilenevinileno), ou PPV, é um polímero de grande relevância tecnológica devido a suas propriedades eletroluminescentes, que têm sido exploradas em diodos emissores de luz orgânicos, displays flexíveis e outros dispositivos optoeletrônicos. Embora o PPV seja um material de importância para muitas aplicações, a sua síntese na nano/microescala não pode ser obtida através do método padrão, o qual utiliza o aquecimento de um polímero precursor poli (cloreto de xileno tetrahidrotiofenio) (PTHT). Este trabalho mostra como a microestruturação com pulsos de femtosegundo pode ser empregada para a síntese de PPV em regiões pré-determinadas, empregando três diferentes abordagens, permitindo uma nova metodologia para a fabricação precisa de microcircuitos poliméricos complexos, (i) na primeira abordagem, o processo de conversão é obtido pela irradiação de filmes de PTHT com pulsos laser ultracurtos em regiões previamente determinadas, o que leva ao controle espacial da formação de PPV em microescala, (ii) na segunda abordagem, microestruturas tridimensionais dopadas com PTHT foram fotopolimerizadas por absorção de dois fótons. A conversão de PTHT para PPV nestas microestruturas dopadas foi obtida após um tratamento térmico, (iii) na terceira abordagem, a transferência direta induzida por laser (LIFT) com pulsos de femtossegundos permite a deposição controlada de PPV com alta resolução espacial, fornecendo micropadrões 2D, preservando sua estrutura e propriedades ópticas. As estruturas foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura, microscopia óptica de transmissão, microscopia de fluorescência e microscopia confocal de fluorescência. Suas propriedades ópticas foram analisadas através de sistemas de micro-fotoluminescência e micro-absorção implementadas em um microscópio invertido. Medidas de espectroscopia Raman, microscopia de força atômica e medidas elétricas também foram realizadas. Este trabalho mostra como a microestruturação com laser de fs pode ser explorada para a síntese de PPV em regiões pré-determinadas para fabricar uma variedade de microdispositivos, abrindo novos caminhos na optoeletrônica baseada em polímeros. / Poly(p-phenylenevinylene), or PPV, is a polymer of great technological relevance due to its electroluminescent properties, which have been exploited in organic light emitting diodes, flexible displays and other optoelectronic devices. Although PPV is a material of foremost importance for many applications, its synthesis at the nano/micro scale cannot be achieved through the standard method that uses heating of a precursor polymer poly(xylene tetrahydrothiophenium chloride)(PTHT). This work demonstrates the use of direct laser writing with femtosecond pulses to obtain the synthesis of PPV in pre-determined regions, by applying three different approaches, allowing the precise fabrication of complex polymeric microcircuits, (i) in the first approach the conversion process is achieved by irradiating PTHT films with ultra-short laser pulses in previously determined regions, which leads to the spatial control of PPV formation at microscale, (ii) in the second approach, three-dimensional microstructures doped with PTHT were photopolymerized by two photons absorption. The conversion of PTHT to PPV in these doped microstructures was obtained by a subsequent thermal treatment, (iii) in the third approach, laser-induced forward transfer (LIFT) with femtosecond pulses enables the controlled deposition of PPV with high spatial resolution, providing 2D micropatterns, while preserving its structure and optical properties. The structures were characterized by scanning electron, fluorescence, transmission and confocal fluorescence microscopies. Their optical properties were analyzed by micro-photoluminescence and micro-absorption setups assembled on an inverted microscope. Raman spectroscopy, electrical measurements and atomic force microscopy were also performed. This thesis shows the use of fs-laser writing methods for the synthesis of PPV in pre-determined regions, to fabricate a variety of microdevices, thus opening new avenues in polymer-based optoelectronics.

Nesta dissertação realizamos a síntese eletroquímica e a caracterização eletroquímica e óptica de polímeros conjugados eletroluminescentes no azul, como o poli(p-fenileno) (PPP) e alguns copolímeros. Filmes de PPP, poli(pirrol) (PPI), poli(3-metiltiofeno) (P3MET) e os copolímeros, copoli(p-fenileno-pirrol) (CPPI) e copoli(p-fenileno-3-metiltiofeno) (CP3MET), foram preparados por voltametria cíciica (VC) e cronoamperometria (CR) em eletrodos de óxido de estanho dopado com índio sobre vidro (ITO) em uma solução não-aquosa de acetonitrila e perclorato de tetrabutilamônio contendo os monômeros a diferentes concentrações. Durante a síntese eletroquímica dos filmes de PPP, PPI, P3MET, CPPI e CP3MET, foi usado CaC12 como agente secante em uma caixa-seca para reduzir a umidade do ar. Um tratamento de secagem permitiu um melhor controle sobre o crescimento dos filmes e a presença de umidade na síntese eletroquímica foi correlacionada as diferentes respostas eletroquímicas dos filmes. Os valores de potencial de ionização (PI) e de afinidade eletrônica (AE) foram calculados através da medida dos potenciais no início das curvas voltamétricas direta e inversa, quando foram obtidos os potenciais de oxidação e redução (Eoxd\' e Ered\'). Os valores de energia de gap eletrônico (EgapE) ara esses filmes foram também obtidos por medidas eletroquímicas. Através dos espectros de absorção no UVVIS, foi possível se calcular a energia de gap óptico (EgapO) para os diferentes filmes poliméricos. / In this work we describe the electrochemical and optical aspects of a series of electrochemically synthesized blue-electroluminescent conjugated polymers. The materials employed here comprised poly(p-phenylene) (PPP), poly(pyrro1e) (PPI), poly(3-methylthiophene) (P3MET), poly(p-pheny1ene-pyrrole) (CPPI) copolymer and poly(p-phenylene3methyIthiophene) (CP3MET) copolymer. The films were electrochemically synthesized and deposited onto indium-tin-oxide covered glass (ITO) electrodes. The latter was carried out using either cyclic voltammetry (VC) or cronoamperometry (CR) in a acetonitrile nonaqueous medium containing tetrabutilammonium perclorate and different concentration of the respective monomers. As a further film quality control, the synthesis was carried out within a glove box containing a CaCI2 salt, which acted as drying agent. The latter procedure allowed us to correlate the amount of moisture present within the glove box with the electrochemical properties of the films. The ionization potential (PI) and the electronic affinity (AE) were calculated using the oxidation and reduction on-set potentials of the films (Eoxd\' e Ered\'). The electronic gap (EgapE)d the optical gap energies were calculated using electrochemical and UV-VIS. spectroscopy respectively.

A presente tese de doutorado deu início a uma nova linha de pesquisa no grupo de Síntese de Polímeros Condutores do IQ-USP, que consiste nos estudos relacionados a sensores de gases para equipamentos do tipo narizes eletrônicos, confeccionados com polímeros condutores. Para isso, foram sintetizados eletroquimicamente sete polímeros da família dos poli(p-fenileno vinileno)s, dos quais cinco inéditos, substituídos por grupos receptores e doadores de elétrons.Todos os polímeros, incluindo seus precursores, foram caracterizados espectroscopicamente (RMN de 1H, IV e UV-Vis). Estudos de análises térmicas (TG e DSC) e de cromatografia por exclusão de tamanho (SEC) foram realizados com os polímeros que possuíam grupos alifáticos de cadeias longas, tendo sido um desses polímeros usado na confecção de dispositivos metal/polímero/metal, cujas medidas de corrente vs. tensão permitiram determinar a mobilidade dos portadores de carga. Sensores de gases foram feitos com os polímeros sintetizados, mostrando boa seletividade quando testados com vapores de uma série de solventes orgânicos polares e apolares. / In this thesis we describe the electrosynthesis of seven difterent poly(p-phenilenevinylene)s, PPVs, bearing long and short, electron donating and withdrawing side groups. These polymers are aimed for our recent interest in gas sensors based on conducting polymers and their application in electronic noses. Five out of the seven polymers are novel materials, hence never described before. The polymers were characterized spectroscopically. Those with long side chain were also submitted to thermal analyses and size exclusion chromatography. Electrical measurements (I x V) in metal/polymer/metal sandwich devices led to the determination of the charge carrier mobility of one of the polymers. Gas sensors, having thin films of the synthesized polymers as active layers, have shown good selectivity towards several organic solvent vapors and water as well.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / In this work we made a theoretical study of absorption line-shape of poly (pphenylene vinylene) (PPV). The model was applied in films processed by techniques: spin-coating (SC), layer-by-layer (LbL), and Langmuir-Blodgett (LB). The probability of electronic transitions was calculated based on the molecular model of excitons, Franck-Condon states, Gaussian distribution of non-entangled chains with conjugate degree n, semi-empirical parameterization of energy gap, electric dipole moment, and electron-vibrational mode coupling. Based on the approach of the energy gap functional dependence 1/n, the inclusion of the non-homogeneity energy dispersion 1/n2 is essential to obtain good experimental data agreement, mainly, where the absorption spectra display peaks width of about 65 meV. For unresolved absorption spectra, such as those observed for a large number of conjugated polymers processed via spin-coating technique, for example, the non-homogeneity energy dispersion parameterization is not significant. We develop a model to describe the possible chemical reactions of conversion of poly(xylyliden tetrahydrothiophenium chloride) (PTHT) monomers to PPV monomers and PPV monomers in others monomers of different degrees of conjugation. The dependence 1/n of the functional energy gap was compared with experimental data oligomers and calculations optimized geometry by Density Functional Theory (DFT). Effects of exciton confinement were considered in the transition dipole moment functional. Simulations to calculate the oscillator strength of the absorption spectra in PPV oligomers indicate that the HOMO-LUMO state prevails over other excited states. Results obtained from the use of the distribution of the random walk are as good as those achieved by the use of Gaussian distribution of conjugated segments in simulations of absorption spectra of the PPV. The use of transition dipole moment functional, which includes the effect of exciton confinement together with the distribution of the random walk provide good results in adjustments theoretical absorption spectra of PPV with more consistent physical parameters. / Nesse trabalho fizemos um estudo teórico da forma de linha de absorção do poli(p-fenileno vinileno) (PPV). O modelo foi aplicado em filmes processados pelas técnicas: spin-coating (SC), layer-by-layer (LbL) e Langmuir-Blodgett (LB). A probabilidade de transição eletrônica foi calculada com base no modelo do exciton molecular, estados de Franck-Condon, distribuição Gaussiana de cadeias não emaranhadas com grau de conjugação n, parametrização semi-empírica do gap de energia, do momento de dipolo elétrico e do acoplamento eletrônico vibracional. Baseamos na aproximação do funcional do gap de energia de dependência 1/n, a inclusão da dispersão de energia não homogênea 1/n2, que é essencial para se obter uma boa concordância com os dados experimentais, principalmente em casos, onde o espectro de absorção apresenta picos com largura de aproximadamente 65 meV. Em espectros de filmes pouco definidos, tais como os processados pela técnica spin-coating, a dispersão de energia não homogênea não é significativa. Desenvolvemos um modelo para descrever as possíveis reações químicas de conversão de monômeros de poli- (cloreto de xilideno tetrahidrotiofeno) (PTHT) em PPV e de monômeros de PPV em outros de diferentes graus de conjugação. A dependência 1/n do funcional do gap de energia foi comparada com dados experimentais de oligômeros de PPV e cálculos otimizados da geometria pela Teoria do Funcional da Densidade (DFT). Efeitos de confinamento de exciton foram considerados no funcional do momento de dipolo de transição eletrônica. Simulações feitas para calcular a força de oscilador no espectro de absorção em oligômeros de PPV indicam que o estado HOMO-LUMO prevalece sobre outros estados excitados. Resultados obtidos pelo uso da distribuição do passeio aleatório são tão bons quanto aos realizados pelo uso da distribuição Gaussiana de segmentos conjugados em simulações de espectros de absorção do PPV. O uso do funcional do momento de dipolo de transição, que inclui efeito de confinamento de excitons, junto com a distribuição do passeio aleatório propiciam bons resultados nos ajustes teóricos de espectros de absorção do PPV com parâmetros físicos mais consistentes. / Doutor em Física

Nesta dissertação realizamos a síntese eletroquímica e a caracterização eletroquímica e óptica de polímeros conjugados eletroluminescentes no azul, como o poli(p-fenileno) (PPP) e alguns copolímeros. Filmes de PPP, poli(pirrol) (PPI), poli(3-metiltiofeno) (P3MET) e os copolímeros, copoli(p-fenileno-pirrol) (CPPI) e copoli(p-fenileno-3-metiltiofeno) (CP3MET), foram preparados por voltametria cíciica (VC) e cronoamperometria (CR) em eletrodos de óxido de estanho dopado com índio sobre vidro (ITO) em uma solução não-aquosa de acetonitrila e perclorato de tetrabutilamônio contendo os monômeros a diferentes concentrações. Durante a síntese eletroquímica dos filmes de PPP, PPI, P3MET, CPPI e CP3MET, foi usado CaC12 como agente secante em uma caixa-seca para reduzir a umidade do ar. Um tratamento de secagem permitiu um melhor controle sobre o crescimento dos filmes e a presença de umidade na síntese eletroquímica foi correlacionada as diferentes respostas eletroquímicas dos filmes. Os valores de potencial de ionização (PI) e de afinidade eletrônica (AE) foram calculados através da medida dos potenciais no início das curvas voltamétricas direta e inversa, quando foram obtidos os potenciais de oxidação e redução (Eoxd\' e Ered\'). Os valores de energia de gap eletrônico (EgapE) ara esses filmes foram também obtidos por medidas eletroquímicas. Através dos espectros de absorção no UVVIS, foi possível se calcular a energia de gap óptico (EgapO) para os diferentes filmes poliméricos. / In this work we describe the electrochemical and optical aspects of a series of electrochemically synthesized blue-electroluminescent conjugated polymers. The materials employed here comprised poly(p-phenylene) (PPP), poly(pyrro1e) (PPI), poly(3-methylthiophene) (P3MET), poly(p-pheny1ene-pyrrole) (CPPI) copolymer and poly(p-phenylene3methyIthiophene) (CP3MET) copolymer. The films were electrochemically synthesized and deposited onto indium-tin-oxide covered glass (ITO) electrodes. The latter was carried out using either cyclic voltammetry (VC) or cronoamperometry (CR) in a acetonitrile nonaqueous medium containing tetrabutilammonium perclorate and different concentration of the respective monomers. As a further film quality control, the synthesis was carried out within a glove box containing a CaCI2 salt, which acted as drying agent. The latter procedure allowed us to correlate the amount of moisture present within the glove box with the electrochemical properties of the films. The ionization potential (PI) and the electronic affinity (AE) were calculated using the oxidation and reduction on-set potentials of the films (Eoxd\' e Ered\'). The electronic gap (EgapE)d the optical gap energies were calculated using electrochemical and UV-VIS. spectroscopy respectively.