Rozprawy doktorskie na temat „Molecular organic conductors”

This work reports on the design, synthesis and characterization of novel anilate-based functional molecular materials showing luminescent, magnetic and/or conducting properties. The family of anilate ligands comprises several derivatives obtained by introducing various substituents (H, F, Cl, Br, I, CN, etc.) at the 3 and 6 positions of the common 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone framework. Their electronic/structural features, coordination modes, ability to mediate magnetic exchange interactions between coordinated d and/or f-metal centers, and to work as efficient antenna ligands towards NIR lanthanide ions, make them suitable candidates for the preparation of the materials reported. In Chapter 1, the synthesis of a multifunctional mixed-valence FeIIFeIII anilate-based coordination polymer, obtained by using the chlorocyanilate ligand (ClCNAn2-), formulated as [TAG][FeIIFeIII(ClCNAn)3]•(solvate) (TAG = tris(amino)-guanidinium) is reported. This compound is characterized by single crystal X-Ray, at 150K and 10K, magnetic, mössbauer and conductivity measurements. Moreover, correlation of conductivity difference between anilate and pioneer oxalate based FeIIFeIII 2D coordination polymers are explained using theoretical calculations (small-polaron hopping model). In Chapter 2, the series of 2D layered coordination polymers based on chlorocyanilate ligand as building blocks formulated as [Ln2(ClCNAn)3(DMF)6]•(DCM)x (LnIII = Yb (1) (x = 0), Nd (2) and Er (3) (x = 2)) are reported. The synthesis, structural characterization, photophysical studies, time-resolved photoluminescence studies performed on both the bulk and nanosheets, effects induced by the exfoliation process on the photo-physical properties of the nanosheets are discussed. In Chapter 3, the new family of NIR-emitting lanthanide coordination polymers based on chlorocyanilate ligand and carboxylate ligands (di-hydroxy-terephthalic acid (DOBDC) and tetrafluoroterephthalic acid (F4-BDC)), which are the commonly used ligands to obtain 2D layered materials are reported. These systems are formulated as [Ln4(ClCNAn)5(DOBDC)1(DMSO)10]•(DMSO)2 (LnIII - Yb (1), Er (2)) [Ln2(ClCNAn)2(F4-BDC)(DMSO)6] (LnIII – Yb (3), Er (4)). Structural characterizations along with time-resolved photoluminescence studies on these compounds are described. In Chapter 4, series of 2D layered coordination polymers based on chlorocyanilate ligand and DyIII are reported. These compounds are formulated as [Dy2(ClCNAn)3(DMSO)6] (1), [Dy2(ClCNAn)6(DMSO)6] (1'), [Dy2(ClCNAn)3(DMF)6](CH2Cl2) (3), (Me2NH2)2[Dy2(ClCNAn)4(H2O)2]•(DMF) (4). The synthesis, structural characterization along with its magnetic characterization is described. In Chapter 5, using the above-mentioned anilate ligands with the BEDT-TTF organic donor, purely organic semiconductors formulated as [BEDT-TTF]2[HClCNAn] (1) and [BEDT-TTF][HCl2An] (2) are obtained by electrocrystallization. Their structural characterization, transport properties and band structure calculation are reported. In Chapter 6, structural diversity and physical properties of П-d hybrid multifunctional paramagnetic molecular conductors obtained by combining BEDT-TTF and [Fe(ClCNAn)3]3- as conducting and magnetic carrier respectively are reported. These compounds are formulated as [BEDT-TTF]4[Fe(ClCNAn)3]•3H2O (1) and [BEDT-TTF]5[Fe(ClCNAn)3]2•2CH3CN (2). Their structural characterization, transport properties and magnetic properties are described. The framework of the thesis is as follows: Part I - General Introduction on Molecular Materials, State of the Art on Anilate-based MOFs and Coordination Polymers and Molecular Conductors together with aim of the work. Part II - Results and discussions, which is divided into 6 Chapters whose content has been summarized above. Part III - Conclusions and the Perspectives. Part IV - Annexes for additional information

Work on modelling compounds possessing die tetraaza[14]annulene (TAA) fragment is described. Modelling studies have been conducted to investigate both structural and electronic properties, of both single molecules and extended arrays of these compounds. The structural aspects have been investigated using molecular mechanics and crystallographic database investigations. Molecules based on the tetraaza[14] annulene structure have been found to adopt one of four conformations. The geometries of these conformations are planar, saddle-shaped, slightly twisted, and dome-shaped. The complexed metal centre and the arrangement of substituents on the periphery of the ligand, have been found to determine which conformation a molecule adopts. In order to model the compounds, three new atom types have been created for the Universal Force Field. The electronic aspects have been investigated using Hartree Fock based calculations for single molecules and Extended Huckel based calculations for extended systems. The electronics of die single molecules have shown there to be a linear trend in the LUMO energies, although die HOMO energies vary very little. The reason for this trend in the LUMOs is unknown, but appears not to be related to any obvious structural feature.

Ce travail porte sur la synthèse et la caractérisation de matériaux moléculaires fonctionnels basés sur la molécule anilate et présentant des propriétés de conductivité, de magnétisme et de luminescence. Les anilates sont des dérivés de la 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone substitués en positions 3 et 6 par une variété d’éléments (H, F, Cl, Br, I, CN, etc). Parmi eux, le seul composé hétérosubstitué ClCNAn2- a été choisi pour préparer une nouvelle famille de polymères de coordination bidimensionnels (PC 2D) avec des métaux de transition ou des ions lanthanides : i) un PC à valence mixte FeIIFeIII, de formule [TAG][FeIIFeIII(ClCNAn)3], contient pour la première fois le cation triaminoguanidinium dans un réseau de coordination.ii) Des PC basés sur le ligand ClCNAn2- et des ions lanthanides émettant dans le proche infrarouge (YbIII, NdIII, ErIII). Ces composés ont été exfoliés en monocouches, et des études de photoluminescence ont été menées à la fois sur les cristaux et les monocouches. iii) Une famille de PC hétéroleptiques basés sur des ions lanthanides et sur deux types de ligands pontants, le ligand ClCNAn2- et des ligands de type carboxylates (DOBDC et F4-BDC). iv) Une famille de PC basés sur des ions DyIII ont été préparés afin d’étudier leur propriétés magnétiques. v) Finalement, la capacité des ligands anilates à se combiner à des conducteurs moléculaires basés sur le BEDT-TTF a été démontrée à travers la synthèse et l’électrocristallisation de semiconducteurs organiques et de conducteurs magnétiques hybrides avec l’anion [Fe(ClCNAn)3]3-
This work reports on the design, synthesis and characterization of novel anilate-based functional molecular materials showing luminescent, magnetic and/or conducting properties. The family of anilate ligands comprises several derivatives obtained by introducing various substituents (H, F, Cl, Br, I, CN, etc.) at the 3 and 6 positions of the common 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone framework. Among the anilate ligands, the only known heterosubstituted anilate with Cl/CN substituents at the 3,6 positions, ClCNAn2-, have been selected for preparing a novel family of 2D layered coordination polymers (2D CP) with both 3d metal ions and 4f lanthanide ions, through a general and straightforward synthetic strategy. i) Mixed-valence FeIIFeIII 2D CP, formulated as [TAG][FeIIFeIII(ClCNAn)3], containing, the tris(amino)-guanidinium (TAG) cation for the first time in such 2D networks has been synthesized and thoroughly characterized. ii) 2D CPs based on NIR-emitting lanthanides (YbIII, NdIII, ErIII) and the ClCNAn2- ligand, have been prepared and characterized. These layered compounds were exfoliated to nanosheets, by sonication-assisted solution synthesis. Time-resolved photoluminescence studies performed on both the bulk and nanosheets are also highlighted. iii) Novel family of heteroleptic 2D CPs based on NIR-emitting lanthanides and mixed ligands (ClCNAn2- and carboxylate ligands (DOBDC and F4-BDC)), were prepared and characterized. vi) Novel family of 2D CPs based on DyIII and ClCNAn2- were prepared in order to investigate their magnetic properties. v) Furthermore, the ability of anilate ligands to work as components of BEDT-TTF- based molecular conductors have been demonstrated through the synthesis, via electrocrystallization technique. vi) П-d hybrid multifunctional paramagnetic molecular conductors BEDT-TTF and [Fe(ClCNAn)3]3-) were also studied

Les structures discrètes auto-assemblées dirigées par les métaux sont des édifices de grande taille qui cristallisent difficilement et se décomposent rapidement. De plus, la résolution de ces structures est compliquée par des données de diffraction de moyenne qualité. Différentes techniques de sélection de cristaux et une méthode d’affinement de structure, appliquée aux cages, sont discutées avec notamment l’utilisation détaillée du programme Squeeze qui permet de supprimer la contribution des atomes et molécules désordonnés ou non visibles dans ces grandes structures. Deux types de cages isolées et entrelacées sont décrites structuralement. Dans la deuxième partie, une série de nouveaux matériaux conducteurs organiques à base de TMTSF et de dérivés du TTF, et incorporant un nouvel anion fluorotantalate, est décrite et les relations structure-propriétés de conduction sont discutées. La première phase de Bechgaard avec l’anion magnétique hexafluoro-rhénate a été caractérisée et différentes études de stabilité en température et de conduction sont présentées. Le TMTSF et le BEDT-TTF ont été associés à plusieurs anions mixtes hexafluorés de tantale, de rhénium et de phosphore pour former de nouveaux alliages conducteurs. Ces synthèses ont également générées des matériaux avec des anions originaux. Deux méthodes de détermination de la charge sur les TMTSF ont été comparées sur plusieurs conducteurs organiques, issus de ce travail ou d’une base de données cristallographiques
The discrete self-assembled metal assisted structures are big size edifices which do not crystallize easily and decompose rapidly. Moreover, the resolution of these structures is difficult because of the medium quality of the diffraction data sets. Different crystals selection techniques and a refinement method, applied to the supramolecular cages, are discussed, with a particular focus on the use of the Squeeze program which allows the suppression of the disordered atoms and molecules contributions. Two types of isolated and interlocked cages are structurally described. In the second part, a series of new organic conducting materials based on TMTSF and on TTF derivatives, incorporating a novel fluoro-tantalate anion, is described. The structure-conducting properties relationship is discussed. The first Bechgaard phase with a magnetic anion, namely hexafluororhenate, is described, together with its temperature dependent stability and conducting properties. TMTSF and BEDT-TTF have been associated to several mixed tantalum, rhenium or phosphorous hexafluoro anions to provide new conducting alloys. These syntheses also afforded crystalline materials with original anions. Two methods to estimate the oxydation state of the TMTSF donors are compared for several radical cation salts, either prepared during this PhD work or selected from a crystallographic data base

Thesis advisor: Michael J. Naughton
Quasi-one dimensional (Q1D) molecular organic conductors are among the most exciting materials in condensed matter physics, exhibiting nearly every known ground state. They are highly anisotropic, structurally and electronically, and show large oscillatory phenomena in conductivity for magnetic field rotated in different crystalline planes. Several theoretical works have been published to explain these angular magnetoresistance oscillation (AMRO) effects, but the underlying physics remains illunderstood. Here, we present measurements and calculations of magnetotransport in the molecular organic (super)conductor (DMET)₂I₃ which detect and simulate all known AMRO phenomena for Q1D systems. Employing, for the first time, the true triclinic crystal structure in the calculations, these results address the mystery of the putative vanishing of the primary AMRO phenomenon, the Lebed magic angle effect, for orientations in which it is expected to be strongest. They also show a common origin for Lebed and so-called "Lee-Naughton" oscillations, and confirm the generalized nature of AMRO in Q1D systems. Furthermore, we report the temperature dependence of the upper critical magnetic field in (DMET)₂I₃, for magnetic field applied along the intrachain, interchain, and interplane directions. The upper critical field exhibits orbital saturation at low temperature for field in all directions, implying that superconductivity in (DMET)₂I₃ is conventional spin singlet
Thesis (PhD) — Boston College, 2010
Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences
Discipline: Physics

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la spintronique moléculaire. Elle s’intéresse plus précisément aux nouvelles opportunités de façonnage de la polarisation de spin qui découlent de l'hybridation métal ferromagnétique/molécule à l'interface : le nouveau concept de « spinterface ».Dans une première partie nous présentons l’étude de nanojonctions tunnel magnétiques à base de monocouches auto-assemblées (SAMs). Ce système est un des plus prometteur dans l’optique de moduler les propriétés des dispositifs de spintronique par ingénierie chimique, tel un LEGO moléculaire. Nous y présentons la fonctionnalisation de la manganite demi-métallique (La,Sr)MnO3 (LSMO) avec des SAMs d’acides alkylphosphoniques et la fabrication de nanojonctions LSMO/SAMs/Co avec une surface de quelque 10 nm2. Une magnétorésistance de 30% à 50% est observée dans la majorité des dispositifs avec une magnétorésistance tunnel (TMR) jusqu'à 250 % à basse température. Un point remarquable est aussi le comportement très robuste du signal avec la tension: environ 20% de TMR est encore observée au-dessus d’une tension de 1 V. L'influence de la longueur de la chaîne moléculaire a été aussi étudiée et représente un premier pas vers la modulation des dispositifs au niveau moléculaire. Dans une deuxième partie nous présentons l’étude des dispositifs organiques à base de métaux ferromagnétiques à haute TC (température de Curie) et semi-conducteurs organiques. Nous avons réalisé des vannes de spin de Co/Alq3/Co avec des sections de 50 ou 100 µm et fabriquées in-situ par « shadow mask ». Des mesures à température ambiante ont permis d’observer -4% de magnétorésistance (MR) dans une vanne de spin Co/Alq3/Co et +8% MR dans une vanne de spin de Co/MgO/Alq3/Co. Le rôle des deux interfaces sur les propriétés de polarisation de spin des dispositifs est aussi étudié et détaillé. Une forte hybridation métal/molécule dépendant du spin à l'interface inferieure de Co/Alq3, présentant un effet de spinterface (inversion de la polarisation en spin), est observée. Ces études montrent que les effets de spinterface, comme l’inversion de la polarisation de spin, peuvent persister dans un dispositif jusqu’à température ambiante
This thesis targets the field of molecular spintronics and more particularly the new spin polarization tailoring opportunities, unachievable with inorganic materials, which arise from the ferromagnetic metal/molecule hybridization at the interface.: the new concept of Spinterface.In a first part we investigate Self-Assembled Monolayers (SAMs) based magnetic tunnel nanojunctions. This system appears to be a highly promising candidate to engineer the properties of spintronics devices at the molecular level since SAMs are the equivalent of a molecular LEGO building unit. We present the functionalization of the half-metallic manganite (La,Sr)MnO3 (LSMO) with alkyl phosphonic acids SAMs and the fabrication of LSMO/SAMs/Co magnetic tunnel nanojunctions with an area of few 10 nm2. MR of 30% to 50% is observed in most of the devices, while we report even up to 250% tunnel magnetoresistance (TMR) at low temperature. The most striking point is the robustness of the signal with bias voltage with still 20% TMR observed in the volt range. The influence of the molecular chain length is also investigated and represents a first step towards achieving molecular tailoring.In a second part we develop organic spintronics devices relying on high Curie temperature metallic ferromagnetic electrodes and standard organic semiconductor such as Co/Alq3/Co organic spin valves (OSVs). Junctions have a large area (section of 50 or 100 µm) and are fabricated in-situ by shadow mask. Magnetoresistance (MR) effects at room temperature are investigated with -4% MR observed in Co/Alq3/Co OSVs and +8% MR in Co/MgO/Alq3/Co OSVs. The role of the two interfaces on the spin polarization properties of the devices is also investigated. A stronger spin-dependent hybridization is found to occur at the bottom Co/Alq3 interface inverting the spin polarization on the first molecular layer. The observation of spin polarization inversion at room temperature demonstrates that spinterface effects can strive up to room temperature

In the field of chemical and biological sensors, the increased need for better sensitivity, faster response and higher selectivity during an analysis process, requires the development of more and more efficient transducing sensing layers. In this context, and with the aim to detect small non-electroactive molecules, such as atrazine (ATZ), we designed, characterized and developed sensing layers constituted by functionalized Molecularly Imprinted Conducting Polymers (MICP) and we integrated them into electrochemical and gravimetrical sensors. Starting from acetonitrile pre-polymerization media containing ATZ as template molecules in the presence of thiophene-based functional monomers (FM, namely TMA, TAA, EDOT, TMeOH or Th), differently functionalized and structurally different polythiophene-based FM-MICP films were electrosynthesized onto gold substrates and used for ATZ detection. The sensing properties of FM-MICP layers were shown to result from the presence in their backbones of pre-shaped FM-functionalized imprinted cavities which keep the memory of the targets. Nevertheless, non-specific adsorption onto the surface of the sensing layers takes place systematically, which affects the selectivity of the recognition process. Thanks to surface characterization techniques, we highlighted the influence of the thickness and of the structural properties of the layers on the efficiency of the recognition process. Besides, this latter was shown to operate in the bulk of the polymer matrixes thanks to layers porosity. On another hand, electrochemical measurements correlated with semi-empirical calculations demonstrated the influence of the nature of FM on the strength of the ATZ-FM interaction in the pre-polymerization medium, and then on the number of ATZ molecular imprints and on the sensitivity towards ATZ of the FM-MICP layers. We showed that TAA-MICP, which presents a low limit of detection (10-9 mol L-1) and a large dynamic range (10-8 to 10-4 mol L-1), is the best sensing layer since it offers the best compromise between high level of specific detection of ATZ and low level of non-specific adsorption. Finally, TAA-MICP was used as sensitive layer in an original Electrochemical Surface Acoustic Wave sensor (ESAW) which enabled simultaneous coupled gravimetric and electrochemical measurements.

This thesis deals with the synthesis of electroactiveorganic compounds. The synthesis of ethylenedioxy-benzodioxinstri-dioxin and tetra-dioxin are described. These molecules wereprepared with the aim of creating donor molecules for cationicradical salts. The symmetric analogs of tri-dioxin,methylenedioxy-derivative and ethylenedioxy-naphthalene werealso synthesized. Three different cation radical salts with 2:1stoichiometries were obtained from tri-dioxin, whiletetra-dioxin merely provided polycrystalline materials.Tri-dioxin and tetra-dioxin were also successful as operationalmatrixes in PALDI-TOF.

Tetrathiafulvalenes with the2-dialkyl-amino-1,3-dithiolium-4-thiolate mesoion asbuilding-block was also synthesized. A series of doublyalkylthiol-substituted TTFs were prepared with the aim offorming self-assembly monolayers on gold surfaces in theapplication of organic thin film field-effect transistors.Film-formation for two TTFs were studied and they providedrelatively dense packed monolayers with a discrete distance ofthe TTF moiety from the gold surface.

The mesoionic compound was also for the first time used inanumpolungreaction. The electrophile obtained in situ bytreatment of mesoion with sulfuryl chloride was reacted with avariety of electron-rich aromatic compounds. From the receivedproducts three new arylthio-substituted TTFs weresynthesized.

Keywords:Synthesis, Benzodioxin, Tetrathiafulvalene,Mesoion, Organic Conductor, Cation Radical Salt, CyclicVoltammetry, Electrocrystallization, Self-Assembly Monolayer,SAM, Organic Field-Effect Transistor, OFET

Les semi-conducteurs organiques à base d’aluminium ont été systématiquement synthétisés et caractérisés par méthodes photo-physiques et électrochimiques. Une étude de leur relation structure-propriétés électroniques a été menée. Les orbitales frontières ont été comparées à celles obtenues par calcul. De nouvelles méthodes ont été utilisées permettant une description de la morphologie des SCOs et un calcul de mobilité des porteurs de charges associés. La mobilité des trous dans Al(Op)3 a été mesurée sur des transistors en film minces: 0.6-2.1×10−6cm2V−1s−1. Par des techniques de spectroscopie en photoémission, la surface de l’hybride Co/Al(Op)3 a été sondée, révélant deux états d’interfaces hybrides, où la polarisation de spin de HIS1 est 8% plus élevée comparée au cobalt nu, et 4% plus faible dans HIS2. Enfin, des aimant moléculaires à base de phénalényle ont été étudiés. [Dy(Op)2Cl(HOp)(EtOH)] présente notamment un gap énergétique de 43.8K et un temps de relaxation de 5x10-4 s
Aluminum-based organic semiconductors (OSCs) were systematically synthesized and studied by photophysical and electrochemical methods to identify a relationship between their chemical structure and electronic properties, using Alq3 as benchmark. Experimental HOMO and LUMO were compared to those computed. In addition, newly developed methods were implemented to generate morphologies and calculate charge carrier mobilities. The hole mobility of Al(Op)3 was measured in thin film transistors: 0.6-2.1×10−6 cm2V−1s−1. By photoemission spectroscopy techniques, the Co/Al(Op)3 hybrid interface was probed. Two hybrid interface states (HISs) were unraveled; the SP (spin polarization) of HIS1 is 8% higher than bare cobalt, whereas the SP of HIS2 is 4% lowered. At last, phenalenyl-based dysprosium SMMs (single-molecule magnet) were investigated. [Dy(Op)2Cl(HOp)(EtOH)] showed an energy gap of 43.8K and a quantum relaxation time of 5x10-4s

L’objectif de cette thèse consiste à développer des matériaux semi-conducteurs organiques efficaces pour le photovoltaïque organique. Le travail est focalisé sur l’optimisation de matériaux à caractère donneur d’électrons pour la préparation de dispositifs à hétérojonction volumique, en association avec un dérivé de fullerène comme matériau à caractère accepteur d’électrons. Plus particulièrement, il s’agit de réaliser une étude d’optimisation systématique de deux familles de référence (respectivement macromoléculaire et moléculaire) issus du laboratoire, qui ont déjà conduit à des performances photovoltaïques intéressantes. Pour cela, nous avons suivi une démarche rigoureuse et systématique en ciblant les paramètres chimiques les plus pertinents à faire varier. Afin de déterminer les propriétés des nouveaux matériaux ainsi synthétisés, des caractérisations spectroscopiques, électrochimiques, structurales, de transport de charge et photovoltaïque ont systématiquement été effectué
The aim of this thesis is to develop efficient semi-conducting organic materials for organic photovoltaics. This work is focuses on the optimization of electron-donor organic semiconductors for the preparation of bulk heterojunction devices, in blend with a fullerene derivative used as electron-acceptor material. More specifically, it is to perform a systematic optimization study of two reference families (macromolecular and molecular respectively) from the laboratory, which have already led to interesting photovoltaic performances. For this, we followed a structured and systematic approach targeting the most relevant chemical parameters to be varied. To determine the properties of new materials synthesized, spectroscopic, electrochemical, structural, charge transport and photovoltaic characterizations were systematically made

Dans le domaine de l’électronique organique comprenant les cellules photovoltaïques (OPV), les diodes électroluminescentes (OLED) et les transistors à effet de champ (OFET), l’intérêt pour des matériaux ambipolaires a fortement augmenté au cours de ces dernières années.Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés au cours de cette thèse au design et à la préparation de différentes architectures semi-conductrices auto-organisées avec lesquelles il serait possible d’injecter et de transporter à la fois les trous et les électrons. Notre approche est basée sur des matériaux cristaux liquide (LC) incorporant différents types de systèmes électron-donneurs (p-type) ou électron-accepteurs (n-type) dans une architecture moléculaire ou macromoléculaire unique. Ainsi, nous avons synthétisé et caractérisé différentes séries de semi-conducteurs organiques tels que des diades discotiques LC donneur-σ-accepteur, des diades calamitiques LC donneur-σ-accepteur, et des polymères en peigne LC donneur-σ-accepteur portant des groupements latéraux discotiques. Leurs comportement thermiques, leurs propriétés optiques et électroniques, leurs propriétés d’auto-organisation en volume et en film mince, ainsi que leurs propriétés de transport de charge sont présentées et discutés.Ces études ont montré que tous ces matériaux présentent des propriétés liquide-cristallines en s’auto-organisant selon différentes structures telles que des organisations colonnaires, lamellaires et lamello-colonnaires. Plus particulièrement, ces matériaux montrent une nano-ségrégation spontanée en volume des fragments de type p et de type n, formant des chemins bien distincts pour chaque type de porteurs de charge, ces résultats étant bien mis en évidence par les premières mesures de transport de charge ambipolaire observées par temps de vol et en configuration transistor à effet de champs
In the general field of organic electronics, including Organic Photovoltaic (OPV), Organic Light-Emitting Diode (OLED) and Organic Field-Effect Transistor (OFET), the interest for the ambipolar organic materials have increased remarkably during the recent years.In this context, we were interested, in this present work, in designing and preparing different new self-organized semiconducting architectures in which it could be possible to inject and transport both holes and electrons. Our approach is based on liquid crystalline (LC) materials incorporating different kinds of electron-donor (p-type) and electron acceptor (n-type) π-conjugated systems in a unique molecular or macromolecular architecture. Thus, we synthesized and characterized different series of organic semiconductors such as donor-σ-acceptor discotic LC dyads and triads, donor-σ-acceptor calamitic LC dyads, and donor-σ-acceptor side-chain LC polymers bearing discotic side-groups. Their thermal behaviors, optical and electronic properties, self-organization properties both in bulk and in thin films, and finally charge transport properties are presented and discussed.Based on different characterization techniques, we demonstrated that all these series of materials present liquid crystalline properties in self-organizing in different structure such as columnar, lamellar, and lamella-columnar organizations. More particularly, these materials exhibit spontaneous nanosegregation of p-type and n-type entities in bulk, leading to well defined distinct conductive channels for each type of charge carriers as evidenced by the preliminary ambipolar charge transport properties observed by Time-of-flight and Field effect transistor measurements

Les cellules solaires organiques ont longtemps été qualifiées de cellules solaires« polymères ». Cette appellation découle du fait que la couche active de telles cellules solaires a majoritairement été réalisée avec un polymère donneur d’électrons. L’utilisation d’un polymère au sein de la couche active a permis d’envisager la production de cellules solaires organiques par voie liquide avec des procédés d’impression à grande vitesse. Il existe cependant un autre type de matériau donneur d’électrons : les petites molécules. Ces dernières déposées par évaporation thermique permettent d’obtenir des cellules à haut rendement. A cause de leur faible propriété filmogène, les petites molécules n’ont cependant pas été envisagées pour un procédé d’impression industrielle. Or, en 2012 plusieurs petites molécules déposables par voie liquide font leur apparition et permettent d’obtenir des rendements suffisamment élevés à l’échelle laboratoire, pour envisager leur à l’échelle industrielle. Ces travaux de thèse ont été conduits en collaboration avec ARMOR, une entreprise visant à commercialiser les cellules solaires organiques, dans le but d’évaluer le potentiel d’industrialisation des petites molécules donneuses d’électrons. Le p-DTS(FBTTh2)2 a été choisi pour cette étude. Il a été montré qu’il était possible d’atteindre des rendements de 2% avec ce matériau à l’air, avec des solvants non toxiques en utilisant un procédé d’enduction à racle. L’industrialisation du p-DTS(FBTTh2)2 n’a cependant pas été poursuivie car ce dernier est très instable à l’air. Ces travaux présentent une méthodologie pouvant être utilisée pour évaluer l’industrialisation d’autres matériaux de ce type
Organic solar cells are often called “polymer” solar cells. This term comes from the fact that the active layer of such solar cells have been widely made with a donor polymer. The use of polymer inthe active layer gives interesting filming properties that can be used to produce these solar cells industrially with a high speed printing process. Yet, another type of donor materials exists: the small molecules. Deposited by thermal evaporation, this type of materials can allow to reach high efficiency solar cells. Because of their poor filming properties, small molecules were not a good candidate for an industrialization using high speed printing. However, in 2012 several solution processable small molecules were proven particularly promising by demonstrating high efficiency at a laboratory scale.These encouraging results let imagine that it could be possible to produce organic solar cells with such materials. This PhD work has been done in collaboration with ARMOR, a company highly implied in the commercialization of organic solar cells, in order to evaluate if small molecules materials could be use dindustrially with a high speed printing process. The p-DTS(FBTTh2)2 has been chosen for this study. It has been shown that it is possible to reach efficiencies as high as 2 % with such a material, using non toxicsolvents and by making the solar cell in the air with a Doctor Blade. Nevertheless, the industrialization ofthe p-DTS(FBTTh2)2 has not been pursued due to the rapid degradation of this molecule in the air. This work presents a method that can be used to evaluate the industrialization of other efficient small molecules

Le travail rapporté dans ce mémoire de thèse concerne la synthèse et la caractérisation de nouveaux semi-conducteurs organiques basés sur un coeur bithiophène. Ce travail s'inscrit dans le prolongement de précédents travaux réalisés au laboratoire portant sur des dérivés du type distyryl-oligothiophènes. Au cours de ce travail, plusieurs voies de synthèse ont été développées afin de fonctionnaliser un coeur bithiophène, rigide ou non, avec différents groupements fonctionnels, principalement pour trois types d'applications : (i) la réalisation de transistors à base de couche mince organique (OFETs), (ii) l'élaboration de cellules solaires à partir de composés push-pull et (iii) le développement de capteurs. Le premier chapitre est consacré à la fonctionnalisation du benzo-[2,1-b:3,4-b']dithiophène-4,5-dione soit par des groupements mésogéniques soit par des motifs aminostyryles. L'objectif est la possibilité de préparer des OFETs par la voie liquide et de tirer profit des propriétés cristal liquide pour améliorer les performances électriques. Les propriétés cristal liquides ont été décrites, et les transistors réalisés. Malheureusement aucune mobilité de porteur de charge n'a pu être enregistrée. Dans un deuxième temps, des modifications structurales ont été apportées sur certaine des structures synthétisées afin d'améliorer les propriétés recherchées. Toutefois, au moment de la rédaction de ce manuscrit, les OFETs n'étaient pas réalisés. Dans le deuxième chapitre, de nouvelles molécules push-pull de type cruciformes ont été synthétisées dans le but d'évaluer leurs performances en tant que composés organiques actifs dans des dispositifs photovoltaïques
The work reported herein concerns the synthesis and the characterization of new organic semiconductors built around the bithiophene core. It was relied on an extended work carried out previously in our laboratory on distyryloligothiophene derivatives. The main part of this work was dedicated to develop new functionalized organic semi-conductors with the aim to improve their properties for optoelectronic applications, mainly for: i) the realization of transistors with organic thin layer (OFETs), ii) the elaboration of solar cells from push-pull derivatives and iii) the development of sensors. The first chapter is devoted to the functionalization of the benzo-[2,1-b:3,4-b ']bithiophene-4,5-dione core either by mesogenic or aminostyryl groups with the purpose to improve, using liquid crystal properties, the microscopic ordering and the electrical performances of the synthetized organic semiconductors as well as their solution processability. Besides the liquid crystal properties characterization showing interesting behavior, the OFET devices have been made from those semiconductors but unfortunately have led to, as unexpected, poor charge transport properties. Some structural modifications have been done in order to optimize the charge transport characteristics nevertheless their electrical characterization still under progress up to now. In a second part, some push-pull derivatives, having a cruciform-like structure, have been synthetized and characterized in order to use them as an active organic layer in photovoltaic devices. Their optoelectronic properties have been evaluated and reported

L’électronique organique est un domaine de recherche qui vise à développer de nouvelles technologies basées sur des matériaux semi-conducteurs organiques (SCOs). D’une manière générale, deux approches sont utilisées pour le design moléculaire de SCOs. La première approche consiste à assembler des fragments moléculaires, connus pour certaines propriétés, afin de synthétiser des matériaux fonctionnels pour une application visée comme les diodes électrophosphorescentes organiques (PhOLEDs). La seconde approche est plus exploratrice et consiste à développer des nouveaux fragments moléculaires pouvant posséder une ou plusieurs propriétés souhaitées pour une application donnée. Dans ces travaux de thèse les deux approches ont été développées. D’un côté, nous avons élaboré des matériaux hôtes pour des PhOLEDs en ajustant leur propriétés (première approche), et, de l’autre côté, nous nous sommes intéressés à une toute nouvelle génération de SCOs : les anneaux moléculaires (seconde approche). Dans une première partie, avec comme cadre le développement de nouvelles matrices hôtes pour des PhOLEDs simplifiés dites monocouches, nous présenterons une étude de deux familles de SCOs basé sur un design moléculaire Donneur-spiro-Accepteur. Ses travaux ont permis la fabrication de PhOLEDs rouge, verte et bleue présentant les performances globales les plus élevées de la littérature. Dans une seconde partie, après un chapitre bibliographique détaillé sur la synthèse et les propriétés singulières des anneaux moléculaires, nous présenterons une étude approfondie des propriétés de deux familles d’anneaux moléculaires constitués d’unités carbazoles. Ces travaux nous ont permis d’incorporer pour la première fois des anneaux moléculaires dans des transistors organiques à effet de champs afin d’en étudier les propriétés de transport
Organic electronics is a field of research dealing with the development of new technologies based on organic semiconductor materials (OSCs). In general, two approaches are used for the molecular design of OSCs. The first approach consists in assembling efficient molecular fragments, in order to synthesize functional materials for a specific application such as phosphorescent organic light-emitting diodes (PhOLEDs). The second approach is more risky as it aims to develop new molecular fragments which may have one or several desired properties for a given application. In this thesis work, both approaches have been developed. On the one hand, we have developed host materials for PhOLEDs by adjusting their properties (first approach), and, on the other hand, we have been interested in a new generation of OSCs: molecular nanorings (second approach). In a first part, within the framework of developing new host matrices for simplified PhOLEDs so called single-layer, we will present a study of two families of SCOs based on a Donor-spiro-A-acceptor molecular design. This work has enabled to reach the, green and blue PhOLEDs displaying the highest overall performances ever reported in literature. In a second part, after a detailed bibliographical study on the synthesis and on the singular properties of nanorings, we will present our investigations in the field of nanorings. We report herein the synthesis and the study of two families of molecular nanorings constructed with carbazole units. This work allowed us to incorporate for the first time molecular nanorings in organic field-effect transistors in order to study their transport properties

Les polymères de coordination poreux ou Metal-Organic Frameworks (MOFs) sont des architectures cristallines possédant des propriétés intéressantes pour le stockage, la séparation de gaz et la catalyse. Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur la promotion d’une propriété moins courante pour ce type de matériau, et est basé sur l’utilisation de dérivés coordinants du tétrathiafulvalène (TTF) : la conductivité électrique. Deux approches ont été étudiées pour induire un chemin de conduction efficace. Dans une première partie, une série de TTFs symétriques portant des connecteurs thioéther-pyridine et thio-pyridine a été développée et employée pour la formation de MOFs pouvant présenter des empilements des cœurs électro-actifs par interpénétration. Dans une seconde partie, un TTF dyssymétrique a été préparé puis mis en jeu dans une approche alternative, consistant à former des empilements des unités soufrées par interdigitation. Cette stratégie a permis la synthèse de deux matériaux isostructuraux, pour lesquels l’oxydation des TTFs par réaction avec du diiode a été établie par spectroscopie RPE. La conductivité des réseaux résultants a été étudiée sur monocristaux et sur pastilles. Dans une troisième partie, l’approche d’interdigitation de systèmes a été transposée avec succès à des complexes homo- et hétéro-leptiques de dithiolène
Porous coordination polymers or Metal-Organic Frameworks (MOFs) are crystalline architectures displaying interesting properties such as gas storage, gas separation and catalysis. Investigations described in this PhD dissertation focused on a property less explored for these materials, using coordinating tetrathiafulvalene (TTF) derivatives: electronic conductivity. Two approaches have been studied to promote an efficient conductivity pathway. In a first part, a series of symmetrical coordinating TTFs bearing thioether-pyridine or thio-pyridine spacers were synthesized. These TTFs were then employed for the formation of interpenetrated systems to generate stacks of electro-active moieties in the solid state. In a second part, a dissymmetrical TTF was developed and implemented in an alternative approach involving the formation of stacks of sulfur-rich units through interdigitation. This strategy allowed the synthesis of two isostructural materials. Studies of the oxidation state of the TTF within the networks were performed by EPR spectroscopy, followed by measurements of the electronic conductivity of these networks. In a third part, the interdigitation approach has been successfully extended to homo and heteroleptic dithiolene complexes

Les semi-conducteurs organiques (OSCs) sont des matériaux prometteurs pour la production à faible coût de dispositifs électroniques imprimés flexibles et de grandes surfaces. Dans ce contexte, le dopage moléculaire permet de contrôler les propriétés électriques des OSC, offrant un outil puissant pour améliorer les performances de différents dispositifs électroniques. Malgré les progrès dans la compréhension fondamentale du mécanisme de dopage et de leurs procédés, la stabilité des OSC dopés p ont reçu peu d'attention. Or, la stabilité de l'état dopé p en présence d'oxygène et d'humidité est un facteur crucial pour l'intégration de couches dopées dans des dispositifs organiques.Dans cette thèse, nous avons étudié le dopage moléculaire de semi-conducteurs polymères désordonnés et la stabilité du dopage p en présence d'oxygène et d'espèces liées à l'eau. PBDTTT-c et RRa-P3HT ont été utilisés comme matrice de polymères et F4TCNQ et Mo(tfd-COCF3)3 comme dopants de type p. Les paramètres du procédé de dopage ont été soigneusement étudiés pour obtenir un dopage contrôlé et optimiser les propriétés électriques. L'impact de la concentration de dopant a été étudié en termes de propriétés électriques (conductivité), optiques (UV-Vis-NIR) et structurelles (GIWAXS).La stabilité de l'état dopé p a été analysée en surveillant l'évolution des signatures de dopage sous trois atmosphères différentes : l'argon, l'air anhydre et l'air ambiant. Des analyses XPS ont été effectuées pour étudier l'impact de l'exposition à l'air sur l'état chimique des couches dopées p. Des simulations ont été utilisées pour étayer nos résultats.Les résultats actuels ont mis en évidence la présence d'un mécanisme de dédopage important pour les polymères semi-conducteurs dopés-p en présence d'espèces liées à l'eau
Organic semiconductors (OSCs) are promising materials for low-cost, flexible, large-area production of printed electronic devices. In this context, molecular doping allows controlling the electrical properties of OSCs, offering a powerful tool to improve the performances of different electronic devices. Despite the progress in the fundamental understanding of the doping mechanism and processing techniques, stability aspects of p-doped OSCs have received little attention. Nevertheless, the stability of the p-doped state in the presence of oxygen and humidity is a crucial factor to be investigated for the integration of doped layers in organic devices.In this thesis, we have studied the molecular doping of disordered polymer semiconductors and the stability of the p-doped state in the presence of oxygen and water-related species. PBDTTT-c and RRa-P3HT were used as polymer hosts and F4TCNQ and Mo(tfd-COCF3)3 as p-dopants. The process conditions have been carefully studied to achieve controlled doping and to optimize the electrical properties. The impact of the dopant concentration was investigated in terms of electrical (conductivity), optical (UV-Vis-NIR) and structural (GIWAXS) properties of doped layers.The stability of the p-doped state was investigated by monitoring the evolution of the doping signatures under three different atmospheres: argon, anhydrous air, and ambient air. XPS analyses were carried out to investigate the impact of air exposure on the chemical state of p-doped layers. Simulations have been used to support our findings.Present results highlighted the presence of an important dedoping mechanism for p-doped semiconducting polymers in the presence of water-related species

L’utilisation de semi-conducteurs organiques dans les dispositifs électroniques offre d’intéressantes perspectives. En effet, ils permettent d’alléger le poids de ces dispositifs en plus de diminuer grandement le coût de leur fabrication. Cependant, une des principales problématiques associées à ces semi-conducteurs organiques est leur procédé de fabrication qui requiert des solvants organiques toxiques et de multiples étapes de synthèse. Dans ce travail, un nouveau procédé de synthèse respectueux de l’environnement a été mis au point. Une seule étape était nécessaire à la préparation des semi-conducteurs, en utilisant la réaction de polycondensation entre une diamine et un dialdéhyde. Cette réaction a été réalisée à température ambiante, dans un solvant vert, l’éthanol, et sans utilisation de catalyseurs, minimisant ainsi la consommation énergétique et utilisant un milieu réactionnel de source renouvelable et peu toxique. Après leur dopage, ces polymères ont présentés des propriétés de conduction comparables à celles des principaux semi-conducteurs organiques. La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à l’étude de l’utilisation du papier comme support pour les dispositifs d’électronique organique; s’affranchissant ainsi de l’utilisation de substrats généralement non biodégradables et/ou de sources non renouvelables (plastique ou verre). Deux stratégies ont été utilisées à cette fin. La première consistait en un dépôt direct des polymères semi-conducteurs à la surface de filaments de cellulose. La deuxième est basée sur la création d’un lien covalent entre les semi-conducteurs et la pâte Kraft, en utilisant la réaction de cycloaddition 1,3-dipolaire de Huisgen catalysée par le cuivre (CuAAc)
The use of organic semiconductors in electronic devices offers interesting prospects. Indeed, they make it possible to lighten the weight of these devices in addition to greatly reducing the cost of their manufacture. However, one of the main problems associated with these organic semiconductors is their manufacturing process, which requires toxic organic solvents and multiple synthesis steps. In this work, a new environmentally friendly synthesis process has been developed. A single step was necessary for the preparation of the semiconductors, using the polycondensation reaction between a diamine and a dialdehyde.This reaction was carried out at room temperature in ethanol, a green solvent and without the use of catalysts, thus minimizing energy consumption and using a reaction medium from a renewable and low-toxicity source. After their doping, these polymers exhibited conduction properties comparable to those observed for conventional organic semiconductors.The second part of this thesis was devoted to the study of the use of paper as a support for organic electronics devices; hus avoiding the use of generally non-biodegradable and/or non-renewable substrates (plastic or glass). Two strategies have been used to this end. The first consisted of a direct deposit of the semiconducting polymers to the surface of cellulose filaments.The second is based on the creation of a covalent bond between the semiconductors and the Kraft pulp, using the copper-catalyzed Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition reaction (CuAAc)

Negli ultimi anni, i materiali funzionalizzati ibridi hanno iniziato ad essere largamente impiegati in applicazioni altamente tecnologiche, dai sensori bio/medicali alla produzione di energie rinnovabili. Per questa ragione sono diventati l’oggetto di diversi studi nell’ambito della scienza dei materiali. Allo stesso tempo, le molecole organiche coniugate sono state intensivamente analizzate per via delle loro proprietà particolari riconducibili alla presenza di un lungo sistema di legami π, dalla possibilità di condurre elettricità al loro largo spettro di assorbimento della radiazione luminosa. Questo lavoro di tesi si è concentrato sull’introduzione di questi sistemi all’interno di due tipi di materiali ibridi, dei dispositivi fotovoltaici per la produzione di elettricità (in particolare delle celle solari sensibilizzate a coloranti) e di carburanti alternativi (idrogeno), e degli idrogel biocompatibili sensibili agli stimoli (capaci di condurre elettricità e di reagire a stimoli luminosi), ed inoltre sullo studio della loro influenza sulle caratteristiche del materiale finale.
In recent years hybrid functional materials began to be employed in a series of technologically advanced applications spanning from bio/medical sensors, to renewable energy generation. For this reason, they became the focus of several studies in the field of materials science. At the same time, conjugated molecules have also been intensively investigated, due to the properties arising by the presence of long π-conjugated systems, from the possibility to conduct electricity to the ability to absorb light in a wide range of wavelengths. This PhD work focused on the introduction of such systems in two different kinds of hybrid materials, namely photovoltaic devices for the production of electricity (in particular Dye Sensitzed Solar Cells) and alternative fuels hydrogen), and biocompatible stimuli-responsive hydrogels (capable to conduct electricity and to react upon irradiation), and on the study of their influence on the characteristics of the final material.
Ces dernières années, les matériaux fonctionnels hybrides ont commencé à être employés pour des applications de la haute technologie, allant des senseurs bio/médicaux, à la production d’énergie renouvelable. Pour cette raison, ils sont devenus le centre de plusieurs études dans le domaine des sciences des matériaux. Simultanément, des molécules conjuguées ont été examinée intensément à cause de leurs propriétés venant de leurs longs systèmes π, allant de la possibilité de conduire l’électricité, à leur capacité d’absorber la lumière dans une grande fenêtre spectrale. Le travail de cette thèse se concentre sur l’introduction de tels systèmes dans deux sortes de matériaux hybrides, les dispositifs photovoltaïques pour la production d’électricité (en particuliers les cellules solaires à pigment photosensible) et de carburants alternatifs (hydrogène), et pour les hydrogels biocompatibles sensibles aux stimuli (capables de conduire l’électricité et de réagir sous irradiation), et sur l’étude de leur influence sur les caractéristiques du matériau final.

Ces dernières années, les matériaux fonctionnels hybrides ont commencé à être employés pour des applications de la haute technologie, allant des senseurs bio/médicaux, à la production d’énergie renouvelable. Pour cette raison, ils sont devenus le centre de plusieurs études dans le domaine des sciences des matériaux. Simultanément, des molécules conjuguées ont été examinée intensément à cause de leurs propriétés venant de leurs longs systèmes π, allant de la possibilité de conduire l’électricité, à leur capacité d’absorber la lumière dans une grande fenêtre spectrale. Le travail de cette thèse se concentre sur l’introduction de tels systèmes dans deux sortes de matériaux hybrides, les dispositifs photovoltaïques pour la production d’électricité (en particuliers les cellules solaires à pigment photosensible) et de carburants alternatifs (hydrogène), et pour les hydrogels biocompatibles sensibles aux stimuli (capables de conduire l’électricité et de réagir sous irradiation), et sur l’étude de leur influence sur les caractéristiques du matériau final
In recent years hybrid functional materials began to be employed in a series of technologically advanced applications spanning from bio/medical sensors, to renewable energy generation. For this reason, they became the focus of several studies in the field of materials science. At the same time, conjugated molecules have also been intensively investigated, due to the properties arising by the presence of long π-conjugated systems, from the possibility to conduct electricity to the ability to absorb light in a wide range of wavelengths. This PhD work focused on the introduction of such systems in two different kinds of hybrid materials, namely photovoltaic devices for the production of electricity (in particular Dye Sensitzed Solar Cells) and alternative fuels (hydrogen), and biocompatible stimuli-responsive hydrogels (capable to conduct electricity and to react upon irradiation), and on the study of their influence on the characteristics of the final material

Étude des composés GA(OEP)(SO::(3)CH::(3)), GA(OEP)N::(3), GE(TPMEPP)(N::(3))::(2), GE(OEP)F::(2) et (OEP) IN-MN(CO)::(5). Caractérisation des groupements azido dans les porphyrines de gallium et de germanium. Première liaison simple métat-métal dans la série des métalloporphyrines. Dopage de fluoro-octaethylporphyrines de gallium et d'octaméthylporphyrines de nickel par l'iode moléculaire. Incommensurabilité des réseaux iode et porphyrine, caractère polymérique des métalloporphyrines. Étude de la conductivité électrique

Ce travail porte sur la synthèse et l'étude de molécules potentiellement actives en optique non linéaire (ONL). Les chromophores pour l'ONL de 2ème ordre possèdent un groupement donneur d et un groupement accepteur a séparés par un espaceur conjugué e (d-e-a), d étant ici un groupement 1,3-dithiole-2-ylidene diversement substitué en position 4,5. Dans le but d'améliorer les performances non linéaires de ces molécules, on fait varier: i) le nombre de doubles liaisons conjuguées de l'espaceur e, ii) la nature de l'accepteur a (groupes carbonyle, carboxyalkyle, gem dicyano, p-nitrophenyle, 5-nitrothien-2-yle). Les analogues polyéniques du tetrathiafulvalène de structure (d-e-d) constituent, quant à eux, les chromophores pour l'ONL de 3ème ordre. Les hyperpolarisabilités et évaluées respectivement par les méthodes EFISH (electric field induced second harmonic) et DFWM (degenerate four wave mixing) présentent des valeurs relativement élevées. Ces mesures ont permis l'optimisation structurale d'un chromophore de 2#e#m#e ordre. Celui-ci est ensuite fonctionnalise en vue d'obtenir des polymères greffes, l'objectif étant d'atténuer au mieux le phénomène de relaxation orientationnelle du matériau au cours du temps. Les etudes préliminaires illustrant cette approche sont presentées.

Research in the fields of molecular conductors and magnets over the past four decades has involved collaborative efforts of chemists and physicists whose common goal is to design useful materials composed of molecular building blocks. Of particular interest are materials whose properties can be tuned by electronic or steric changes in the molecular sub-units. The research on TCNQ derivatives described in this thesis was inspired by the observation that, although a vast amount of research has been directed at understanding binary M(TCNQ•-) materials, analogous compounds based on substituted TCNQ acceptors are surprisingly scarce. Single crystals of a new structure type for the M+(TCNQ)•- binary family were isolated from reactions of two dihalogenated TCNQ derivatives with Cu(I) ions, namely Cu(TCNQX2) (X = Cl, Br). The new 3-D compound Cu(TCNQCl2) exhibits the highest conductivity of the M+(TCNQ)•- series to date, despite the greater separation of TCNQCl2 units as compared to other derivatives. Compounds of lower dimensionality were also obtained, namely the 2-D Cu(TCNQBr2)(CH3CN) and 1-D Cu(TCNQI2)(CH3CN)2 phases. Several 2p-3d heterospin molecular magnets were also synthesized. For example a “magnetic sponge” material based on a 2-D hexagonal framework of composition {[Mn2(TCNQF4)(CH3OH)7.5(H2O)0.5]-(TCNQF4)2•7.5CH3OH}∞, as well as molecular magnets based on first row metal ions and TCNQF4 ligands of composition MII(TCNQF4)-•(TCNQF42-)0.5(CH3CN) (M = Mn, Co) were prepared. In addition, unprecedented isostructural 2-D frameworks based on combinations of first row metal ions with TCNQBr2 radicals of composition [M(TCNQBr2)2(H2O)2]∞ (M = Mn, Zn) were synthesized. Lanthanide chemistry is also described in this dissertation. A series of mononuclear Ln-TCNQF4 heterospin complexes of composition {MIII[TCNQF4]2[H2O]x}(TCNQF4)(3H2O) (M = La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er and Yb) was also obtained which exhibit remarkable properties. In this family of compounds there exists an unprecedented subtle interplay between single molecule magnetic behavior and phonon bottleneck effect behavior for the Tb analogue. Magnetic ordering was observed for the Sm analogue. A homologous series of 1-D materials based on alternating lanthanide ions and hexacyanometallates of formula {[Ln(tptz)(H2O)4Fe(CN)6]•8H2O}∞ (Ln = Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb) was obtained and a detailed magnetic study provided incontrovertible evidence that the SmIII-[FeIII(CN)6]3- compound exhibits ferromagnetic and not antiferromagnetic coupling as had been reported for related 1-D chains.

A l’heure où les impacts du changement climatique sont devenus indéniables, le développement des énergies décarbonées s’impose. Potentiellement bas coût comparées aux technologies établies, les technologies organiques émergentes offrent une alternative éco-efficiente pour l’exploitation de l’énergie solaire et de l’énergie thermique (< 473 K). Dans le premier chapitre, les avantages et inconvénients des différentes technologies actuellement développées sont discutés. Les dispositifs photovoltaïques, tout comme thermoélectriques, requièrent deux types de matériaux conduisant respectivement les trous (type p) et les électrons (type n). Malgré des avancées remarquables, le développement de semi-conducteurs de type n constitue un levier d’amélioration majeur pour les technologies organiques. Dans ce contexte, ce travail doctoral présente la conception, la synthèse, la caractérisation et la mise en œuvre au sein de dispositifs, de polymères et petites molécules pi-conjugués de type n.Basées sur trois unités électro acceptrices – l’isoindigo (ISI), le naphtalène diimide (NDI) et le benzodifurandione-oligo(p-phénylènevinylène) fluoré (FBDOPV) – la conception et la synthèse de copolymères alternés sont présentées dans le deuxième chapitre. Ces polymères démontrent de hautes affinités électroniques comprises entre 3,5 eV et 4,1 eV. Les études de modélisations DFT et de diffraction de rayons X en couches minces ont permis d’identifier les principaux facteurs structuraux à l’origine des hautes mobilités en électron obtenues en transistor organique à effet de champ allant jusqu’à 0,26 cm2.V-1.s-1.Pour une application thermoélectrique, le dopage moléculaire de ces semi conducteurs organiques est requis et fait l’objet du troisième chapitre. Les conditions nécessaires à la thermo- et photo activation du dopant N-DMBI ont été identifiées. En particulier, la dégradation du dopant activé en présence d’oxygène a été mise en évidence par diffraction de rayons X sur monocristaux. Les polymères et deux petites molécules à base d’ISI et NDI ont été dopés avec succès. Les mécanismes de dopage et les conductivités obtenues sont discutés au cas par cas à l’aide d’expériences spectroscopiques UV Visible-Proche-Infrarouge et Résonance Paramagnétique Electronique. Des conductivités de l’ordre de 10-4 S.cm-1 sont obtenues sans apport énergétique ni avant ni après dépôt. Des conductivités encourageantes de l’ordre de 10-3 S.cm-1 pour une petit molécule à base de NDI et de 10-2 S.cm-1 pour un polymère à base de FBDOPV ont été atteintes. La stabilité et la réversibilité des conductivités des couches minces exposées à l’air ont été examinées et corrélées au niveau LUMO des matériaux. Le contrôle minutieux des conditions de dépôts et de dopage ont permis l’obtention d’un facteur de puissance de l’ordre de 0,3 µW.m 1.K-2 associé à une conductivité thermique de 0,53 W.m-1.K-1. Des figures de mérite d’environ 2.10-4 à 303 K et 5.10-4 à 388 K ont été mesurées, lesquelles représentent les premières valeurs reportées à ce jour pour un semi-conducteur organique dopé n sur un même dispositif.Ces matériaux permettent également le remplacement des dérivés fullerènes en dispositif photovoltaïque comme présenté dans le dernier chapitre. Ils démontrent notamment de forte propriétés d’absorption, étendue jusqu’au domaine proche infrarouge pour l’un des polymères. Un rendement de conversion de 1,3% a été obtenu en cellule solaire à hétérojonction en volume « tout-polymère » avant optimisation. Suivant une conception moléculaire de type donneur-espaceur-accepteur, deux dérivés d’ITIC ont été conçus et caractérisées. La modification de substituants alkyles sur l’espaceur permet d’obtenir des propriétés d’absorptions et d’organisations améliorées comparé à ITIC. De hautes tensions de circuit-ouvert allant jusqu’à 1,10 V et des rendements de 4,2% ont été obtenus avec ces accepteurs non-fullerènes
At a time when the impacts of climate change have become undeniable, the development of low-carbon energies is crucial. Potentially low cost compared to established technologies, emerging organic technologies offer an eco-efficient alternative for harvesting solar and thermal (< 473 K) energies. In the first chapter, the advantages and drawbacks of the different technologies currently being developed are discussed. Photovoltaic devices, like thermoelectric devices, require two types of materials conducting holes (p type) and electrons (n-type) respectively. Despite remarkable advances, the development of n-type semiconductors represents a major lever for improving organic technologies. In this context, this doctoral work presents the design, synthesis, characterization and device developments of innovative pi-conjugated n-type polymers and small molecules.Based on three electron-accepting units – isoindigo (ISI), naphthalene diimide (NDI) and fluorinated benzodifurandione-oligo(p-phenylenevinylene) (FBDOPV) – the design and synthesis of alternated copolymers are presented in the second chapter. These polymers exhibit high electron affinities ranging from 3.5 eV to 4.1 eV. DFT modelling and thin-film X-ray diffraction studies allowed to identify the main structural aspects leading to electron mobility as high as 0.26 cm2.V 1.s 1 achieved in organic field effect transistors.For thermoelectricity, molecular doping of these organic semiconductors is required. It is the subject of the third chapter. The necessary conditions for thermo- and photo-activation of N DMBI dopant have been identified. In particular, the degradation of the activated dopant in the presence of oxygen has been demonstrated by single crystal X-ray diffraction. Each polymer and two small molecules based on ISI and NDI cores have successfully being doped. The doping mechanisms and conductivities obtained are discussed on a case by case basis using UV-Visible-Near-Infrared and Electron Paramagnetic Resonance spectroscopies. In particular, conductivities in the range of 10-4 S.cm-1 were obtained without external energy supply neither before nor after deposition. Encouraging conductivities in the range of 10-3 S.cm 1 for a small molecule based on NDI and 10-2 S.cm 1 for a polymer based on FBDOPV have been achieved. The stability and reversibility of thin film conductivities when exposed to air were investigated and correlated to the LUMO level of the materials. The thorough control of deposition and doping conditions have afforded to achieve a power factor of about 0.3 µW.m-1.K-2 associated to a thermal conductivity of 0.53 W.m 1.K 1. Figure of merits of approximately 2.10-4 at 303 K and 5.10-4 at 388 K have been obtained, which represent the first values reported to date for an n-doped organic semiconductor measured on a single device.These materials also allow the replacement of fullerene derivatives in photovoltaic devices as presented in the last chapter. In particular, they demonstrate strong absorption properties, extended to the near infrared domain for one of the polymers. A conversion efficiency of 1.3% was obtained in all polymer bulk-heterojunction solar cell before optimization. Following the donor-spacer-acceptor approach, two ITIC derivatives have been designed and characterized. The modification of alkyl substituents on the spacer provides improved absorption and molecular packing properties compared to ITIC. High open-circuit voltages up to 1.10 V and conversion efficiencies of 4.2% have been achieved with these non-fullerene acceptors