Organic Semiconductors Based on Triazastarphene Towards 3D : Charge Transport in Crystalline Phase

Semiconducteurs organiques à base de triazastarphene : vers un transport tridimensionnel en phase cristalline

• Auteur / Autrice : Qian Li
• Direction : Thierry Toupance, Yohann Nicolas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Organique
• Date : Soutenance le 19/09/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Moléculaires (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Castet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Toupance, Yohann Nicolas, Frédéric Castet, Philippe Blanchard, Cyril Poriel, Frédéric Fagès
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Blanchard, Cyril Poriel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière condensée

Semiconducteurs

Matériaux organiques

Mots clés libres

Electronique organique

Chimie Organique

Matière condensée

Organic Electronics

Organic chemistry

Condensed Matter

Résumé

Depuis une trentaine d’années, les matériaux organiques semi-conducteurs sont l’objet de recherches fondamentales autant qu’appliquées. Cet intérêt s’explique par des propriétés communément absentes des matériaux inorganiques utilisés jusqu’à présent telles que leur légèreté, leur souplesse et leur mise en forme aisée par des techniques d’impression à bas coût. Cependant, la forte anisotropie de leurs propriétés électroniques, telles que la mobilité des charges, a limité leur intégration dans les appareils de la vie courante.Ainsi, le but de cette thèse est d’étudier de nouveaux concepts de structures moléculaires adaptées au transport de charge tridimensionnel (3D) en phase cristalline. Cette étude concerne la synthèse des molécules, la caractérisation de leurs propriétés optoélectroniques, la résolution de leur structure cristalline, des mesures de dispositifs électroniques ainsi que la modélisation de paramètres clés du transport de charge.Pour atteindre cet objectif, les règles de conception appliquées aux molécules linéaires appartenant à la série du TIPS-pentacene a été étendues à des molécule de symétrie C3h. Les molécules possèdent ainsi un cœur aromatique plan en forme d’étoile à trois bras auxquels sont ajoutés des substituants encombrants proches du centre. Deux empilements sont alors envisagés appelés empilement par les bras ou en colonne décalée pour lesquels un chemin de percolation des sauts de charge est attendu dans les 3 dimensions.Ainsi, 13 triazastarphenes substitués par des amines ou des phényles ont été nouvellement obtenus via des méthodes de synthèses originales et directes. De plus, des systèmes borofluorés ont pu être obtenus ainsi qu’une voie de synthèse originale d’un composé utilisé en OLED. D’autre part, la résolution des structures cristallines a permis d’identifier des empilements proches voir identiques de ceux escomptés. Par exemple, deux benzostarphenes présentent respectivement un empilement par les bras sur la moitié de la maille et un empilement en colonne décalée. Enfin, l’étude théorique a mis en évidence que le transport de charge devrait s’effectuer en 2D pour le premier cas et en 3D pour le second en phase cristalline.Finalement, ce travail décrit pour la première fois la synthèse de composés étendus et solubles en forme d’étoile basés sur un motif acridine. Au-delà des multiples études sur les propriétés de ces molécules ainsi que de leurs intégrations quelquefois réussies dans des dispositifs électroniques (OFETs ou cellules à solaires à perovskites), les nouvelles méthodes de synthèse et les empilements discutés en détails devraient contribuer à l’élaboration de nouvelles règles de conception de composé -conjugué et participer au développement de semi-conducteurs organiques de plus hautes performances.

The research in organic electronics has attracted worldwide attention due to the specific properties of organic materials such as lightness, flexibility, large scale processing ability and low production cost. Compared with inorganic materials, the strong anisotropy and low charge carrier transport mobility limit their integrations in commercial devices. This research aims at developing molecule systems leading to three-dimensional charge transport.To reach this goal, our design strategy is to expand the generally linear-shaped molecular structure into star-shaped structure with C3h symmetry. The designed molecules consist of a planar core of fused aromatic cycles to form efficient - stacking with neighboring molecules and of bulky groups located close to the center to increase the solubility of the materials and prevent 1D columnar packing. Thus, two supramolecular arrangements are speculated (arm and column packing) where charge hopping follows pathways in 3D.Based on this design, 13 triazastarphenes substituted directly by amine or phenyl groups were synthesized and thoroughly characterized. Their electronic properties were carefully determined by UV-visible absorption spectroscopy, cyclic voltammetry and DFT calculations. Results from single crystal XRD showed that the experimental packing is similar to model for few molecules. In detail, one amino-triazastarphene has shown a new 2D layer by layer packing motif, while benzo-triazastarphenes have led to column packing in one case and half arm packing for another as expected. In addition, theoretical approach highlighted 2D and 3D dimensionality for charge carrier transport for the two later examples in the crystal phase.Finally, this work is the first report about straightforward synthesis of extended C3h acridine derivatives. Even though the performances obtained from the devices (OFETs and perovskite solar cells) based on these materials did not reach state of the art performances, the novel synthetic method and the achievement of interesting molecular arrangement motifs in single crystal can contribute to the development of high-performance OSCs.