Les polymères semi-conducteurs semicristallins sont utilisés au sein de diodes
électroluminescentes, transistors ou dispositifs photovoltaïques organiques. Ces matériaux peuvent être traités à partir de solutions ou directement à partir de leur
état solide et forment des agrégats moléculaires dont la morphologie dicte en grande
partie leurs propriétés optoélectroniques. Le poly(3-hexylthiophène) est un des polymères semi-conducteurs les plus étudiés. Lorsque le poids moléculaire (Mw) des
chaînes est inférieur à 50 kg/mol, la microstructure est polycristalline et composée
de chaînes formant des empilements-π. Lorsque Mw>50 kg/mol, la morphologie est
semicristalline et composée de domaines cristallins imbriquées dans une matrice de
chaînes amorphes.
À partir de techniques de spectroscopie en continu et ultrarapide et appuyé
de modèles théoriques, nous démontrons que la cohérence spatiale des excitons
dans ce matériau est légèrement anisotrope et dépend de Mw. Ceci nous permet
d’approfondir la compréhension de la relation intime entre le couplage inter et
intramoléculaire sur la forme spectrale en absorption et photoluminescence. De plus,
nous démontrons que les excitations photogénérées directement aux interfaces entre
les domaines cristallins et les régions amorphes génèrent des paires de polarons liés
qui se recombinent par effet tunnel sur des échelles de temps supérieures à 10ns. Le
taux de photoluminescence à long temps de vie provenant de ces paires de charges
dépend aussi de Mw et varie entre ∼10% et ∼40% pour les faibles et hauts poids
moléculaires respectivement. Nous fournissons un modèle permettant d’expliquer
le processus de photogénération des paires de polarons et nous élucidons le rôle de
la microstructure sur la dynamique de séparation et recombinaison de ces espèces. / Microstructure plays a crucial role in defining the optoelectrical properties of
conjugated polymeric semiconductors which can be used in light harvesting and
generating devices such as organic light emitting diodes, field effect transistors
or photovoltaic devices. These polymers can be processed from solution or solidstate
and form photophysical aggregates, consequently providing a complex network
which controls the fate of any photogenerated species. poly(3-hexylthiopene)
is one of the most studied polymeric semiconductor. In this material, the molecular
weight (Mw) of the polymer governs the microstructure and highly impact
the optical and electronic properties. Below Mw≈ 50 kg/mol, the polymer chains
forms polycrystalline domains of π-stacked molecules while high Mw (>50 kg/mol)
consists of a two-phase morphology of molecularly ordered crystallites that are embedded
in amorphous regions. Such morphology provides a bidimensionnal network
hosting both neutral excitations, known as Frenkel excitons, and polarons.
By means of steady-state and ultrafast spectroscopy experiment and backed up
theoretical modeling, we demonstrate that the spatial coherence of such excitations
are anisotropic in the lattice and depends on the Mw of the polymer, providing a
deep understanding of the interplay between interchain (excitonic) and intrachain
coupling in polymer aggregates. Moreover, we show that direct excitation at the
interface between molecularly ordered and amorphous regions generates tightlybound
charge pairs which decay via quantum tunneling over >10 ns. The yield
of delayed photoluminescence arising from the recombination of those charge pairs
varies between ∼10% and ∼40% for low and high Mw films respectively. We provide
a quantitative model that describes the photogeneration process of those geminate
polaron pairs and determine the role of the microstructure in the charge separation
and recombination processes.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:umontreal.ca/oai:papyrus.bib.umontreal.ca:1866/11673 |
| Date | 01 1900 |
| Creators | Paquin, Francis |
| Contributors | Silva, Carlos |
| Source Sets | Université de Montréal |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Thèse ou Mémoire numérique / Electronic Thesis or Dissertation |
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