Institut Charles Sadron SYCOMMOR

Recherche

THEME 1. Contrôle de la croissance et de la structure des systèmes (macro)moléculaires
THEME 2. Organogélateurs et systèmes p- conjugués auto-assemblés
THEME 3. Morphogenèses des systèmes hybrides
THEME 4. Influence de la liaison hydrogène en électronique organique. Utilisation du dikétopyrrolopyrrole comme modèle
THEME 5. Thermoélectricité organique

THEME 1. Contrôle de la croissance et de la structure des systèmes (macro)moléculaires

Les propriétés (opto)-électroniques des matériaux semi-conducteurs organiques et particulièrement celles des polymères semi-conducteurs sont par essence anisotropes. Elles dépendent fortement de l’orientation des chaînes de polymères et de l’ordre et de la cristallinité en film mince. Pour contrôler la croissance et la structure de ces matériaux, le groupe a développé principalement deux techniques : le brossage mécanique des films à haute température et la cristallisation par épitaxie. Ce contrôle permet de mettre en évidence des aspects fondamentaux de la cristallisation et de la structure des polymères par TEM (HRTEM et diffraction d'électrons).
Le principe de ces techniques ainsi que des exemples de nos travaux sont décrites ci-dessous.

A. Description des techniques de croissances et d'alignement

1. Orientation par « transfert par friction »
Cette méthode permet de préparer des substrats de PTFE alignés. Des fibres de PTFE sont transférées par friction à pression et température contrôlée sur une lame de verre se déplaçant de façon unidirectionnel.

2. Cristallisation par épitaxie directionnelle en solvant cristallisable
Cette méthode permet d'obtenir de très haut taux d'alignement et de cristallinité des matériaux pi-conjugués sur de petites zones. Elle consiste à cristalliser depuis l’état fondu l’échantillon en le déplaçant très lentement (qq µm/s à qq µm/min) dans un gradient de température. Les échantillons ainsi obtenus sont étudiés par TEM et diffraction électronique et utilisés en particulier pour la résolution de structures cristallines.

3. Alignement par brossage mécanique de films minces à haute température
L’alignement des chaînes de polymère se fait par force de cisaillement le long de la direction de brossage. Cette technique est compatible avec de grandes surfaces et tout type de substrat. La température lors du brossage des films joue un rôle important sur le degré d’alignement des chaines de polymères. Une nouvelle machine de brossage a récemment été développée et transférée dans le système de boites à gants de la plateforme électronique organique d’ICube (UMR7357, Strasbourg). Elle est utilisée dans l'élaboration de dispositifs électroniques organiques de hautes performances (OFETs, OLEDs, OLDs, Thermoélectricité).

B. Quelques exemples d’applications
Les couches minces à structure et orientation contrôlées ont permis de déterminer la structure de plusieurs polymères semi-conducteurs les plus représentatifs du domaine de l’électronique organique par diffraction électronique : forme I et forme II du P3HT, PDOPT, PCPDTBT, p(NDI2OD-T2), F-PCPDTBT et PTB7… [1]
Pour le P3HT, des corrélations entre la longueur des segments de chaîne planarisés dans les cristaux et les propriétés optiques (largeur de bande d'exciton) et le transport de charge (mobilité des trous) ont été démontrées pour la première fois.


Cette approche a été utilisée avec succès pour orienter des mésophases lamellaires co-oligomères donneur-accepteur conçu pour l'élaboration de cellules solaires mono-composants (ANR Picasso). La HRTEM a permis d’identifier un nouvel assemblage en forme de fermeture éclair des molécules de PDI. La figure suivante illustre les structures originales de ces co-oligomères obtenues par analyse par diffraction d'électrons et modélisation structurale. [2]


Références
1. Structural Model of Regioregular Poly(3-hexylthiophene) Obtained by Electron Diffraction Analysis, N. Kayunkid, S. Uttiya, and M. Brinkmann, Macromolecules 2010, 43, 4961–4967.
Highly Crystalline Films of PCPDTBT with Branched Side Chains by Solvent Vapor Crystallization: Influence on Opto-Electronic Properties, F.S. U. Fischer, D. Trefz , J. Back, N. Kayunkid, B. Tornow ,S. Albrech , K. G. Yager, G. Singh, A. Karim , D. Neher, M. Brinkmann and S. Ludwigs
Highly oriented and crystalline films of a phenyl-substituted polythiophene prepared by epitaxy: structural model and influence of molecular weight, Hamidi - Sakr, A.; Schiefer, D.; Covindarassou, S.; Biniek, L.; Sommer, M.; Brinkmann, M., Macromolecules 2016, 49 (9), 3452–3462.
Structure and charge transport anisotropy of polythieno[3,4-b]-thiophene-co-benzodithiophene (PTB7) oriented by high-temperature rubbing, L. Biniek, A. Hamidi-Sakr, L. Grodd, S. Escoubas, Y. J. Dapp, S. Grigorian, M. Brinkmann Adv. Electron. Mater. 2018, 1700480.

2. Zipper-like molecular packing of donor-acceptor conjugated co-oligomers based on perylenediimide, L. Biniek, P.-O. Schwartz, E. Zaborova, B. Heinrich, N. Leclerc, S. Méry, M. Brinkmann, J. Mater. Chem. C 2015, 3, 3342-3349.
Perylenediimide-Based Donor-Acceptor Dyads and Triads: Impact of Molecular Architecture on Self-Assembling Properties, P.-O. Schwartz, L. Biniek, E. Zaborova, B. Heinrich, M. Brinkmann, N. Leclerc, and S. Me´ry J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 5981-5992.

THEME 2. Organogélateurs et systèmes p- conjugués auto-assemblés

Si de nombreux organogélateurs ont été synthétisés, leurs propriétés thermodynamiques et les mécanismes de gélification en relation avec la morphologie/structure des auto-assemblages formés dans les solvants, ne sont que marginalement compris. En particulier, la determination des relations entre la structure moléculaire des molécules gélifiantes et la forme/structure des assemblages reste une question importante. Le groupe a montré que les interactions entre les esters d'une série analogue de gélateurs diamide-ester sont les plus déterminantes (structure chimique en figure 1). La longueur de l'ester contrôle la forme des agrégats : rubans plats, rubans torsadés ou nanotubes et, dans ce dernier cas, le diamètre des tubes. Une deuxième contribution importante est la détermination précise d'un diagramme de phase complet pour un organogélateur modèle. La combinaison de la DSC, de la rhéologie et de la microscopie optique, a révélé la présence d'une lacune de miscibilité, soulignant la complexité inhérente des diagrammes de phase des organogélateurs. Dans le cas des gélateurs d'acides aminés, une transition dite de "jamming" a été mise en évidence par des mesures rhéologiques pour expliquer le mécanisme de gélification.

Fig.1 : De gauche à droite : structure chimique du BHPB-10 ; nanotubes auto-assemblés formés par BHPB-10 (TEM en cryo- fracture) ; diagramme de phase température-concentration pour BHPB10/transdécaline pour une vitesse de refroidissement de -0,25 °C/min.
A titre de deuxième exemple, le groupe a étudié la formation de la structure de semi-conducteurs p-conjugués à base de pérylène-bisimide (PBI). Le groupe a montré qu'un organogélateur PBI se comporte comme un matériau réversible sensible aux stimuli (thèse A. Sarbu). Les études TEM et GIXD ont démontré que la modification des propriétés résulte d'une réorganisation structurelle des assemblages hélicoïdaux colonnaire à supramoléculaire. [2]



Fig.2 : Illustration de la réorganisation structurelle d'un empilement en colonne à un empilement hélicoïdal d'un organogélateur pérylène-bisimide N,N'-substitué, responsable du changement de l'absorption optique (forme I : vert et forme II : rouge).
Références :
1. N. M. Sangeetha, et al. ACS Nano, 2012.Simon, F.-X. ; et al. Soft Matter 2013. Collin, D. et al. Soft Matter, 2013. Christ, E.; et al. Langmuir 2016.
2. A. Sarbu, et al. J. Mater. Chem.C, 2015.

A. Rhéologie et piézorhéologie des systèmes auto-assemblés

La caractérisation des propriétés rhéologiques des systèmes auto-assemblés fait appel à l’utilisation de deux dispositifs de mesures complémentaires : Un rhéomètre à contrainte imposé (Haake Mars III) et un piézorhéomètre à déformation imposé fonctionnant à l’aide éléments piézoélectriques.


Dernières résultats associés :
- Divry, V. ; Gromer, A. ; Nassar, M. ; Lambourg, C. ; Collin, D. ; Holl, Y. Drying Mechanisms in Plasticized Latex Films. Role of Horizontal Drying Fronts. The Journal of Physical Chemistry B, 120, 6791, 2016.
- Christ, E. ; Blanc, C. ; Al Ouahabi, A. ; Maurin, D. ; Le Parc, R. ; Bantignies, J.-L. ; Guenet, J.-M. ; Collin, D. ; Mésini, P. J. Origin of Invariant Gel Melting Temperatures in the c-T Phase Diagram of an Organogel. Langmuir, 32, 4975, 2016.
- Aguilar, A. ; Pertuy, F. ; Eckly, A. ; Strassel, C. ; Collin, D. ; Gachet, C. ; Lanza, F. ; Léon, C. Importance of Environmental Stiffness for Megakaryocyte Differentiation and Proplatelet Formation. Blood , American Society of Hematology , 128, 2022, 2016.
Mesure d’absorption optique
L’absorption optique d’un échantillon est très sensible à l’apparition d’objets diffusants (ex : gouttelettes). La mesure de cette absorption, corrélée à de la microscopie optique, permet avec précision de détecter l’existence d’une séparation de phase liquide homogène-liquide hétérogène, comme dans le cas de solutions d’organogélateurs diamides (*).

(*) Christ, E. ; Blanc, C. ; Al Ouahabi, A. ; Maurin, D. ; Le Parc, R. ; Bantignies, J.-L. ; Guenet, J.-M. ; Collin, D. ; Mésini, P. J. Origin of Invariant Gel Melting Temperatures in the c-T Phase Diagram of an Organogel. Langmuir, 32, 4975, 2016.

THEME 3. Morphogenèses des systèmes hybrides

THEME 4. Influence de la liaison hydrogène dans l'électronique organique. Utilisation du dicétopyrrolopyrrole comme modèle

A. Etude systématique utilisant des dérivés DPP H-bonded thiophene-capuchonés de DPP
La chimie supramoléculaire utilise la puissance des interactions non covalentes entre de nombreuses espèces individuelles pour obtenir des structures très précises dont les propriétés et les fonctions ne sont pas présentes lorsque ces espèces sont isolées. Les liaisons hydrogène (liaisons H) sont l'une des interactions non covalentes utilisées pour diriger les assemblages supramoléculaires dans des structures directionnelles et bien organisées. Les liaisons H sont sensibles à la température, au solvant, à la concentration et à la chiralité entre autres paramètres, l'état d'agrégation pouvant être ajusté en variant l'un d'eux. Ceci est très utile pour programmer les molécules afin de former les structures appropriées qui présenteront des propriétés et des fonctions spécifiques. C'est le cas des semi-conducteurs liés à l'hydrogène, où non seulement les propriétés électroniques jouent un rôle important dans le résultat final. Le conditionnement et l'agrégation moléculaires en solution et en couche mince sont tout aussi importants, ce qui permet d'influencer les propriétés optoélectroniques sur l'auto-assemblage. Les colorants dicétopyrrolopyrrole (DPP) sont parmi les meilleurs segments électroactifs utilisés dans les semi-conducteurs, depuis leur découverte par Farnum dans les années 70 en essayant de synthétiser l'azétinone, le DPP a été un des pigments les plus utilisés dans les applications industrielles et dans la recherche de nouveaux matériaux. De multiples exemples de polymères et de petites molécules peuvent être trouvés pour la fabrication de cellules solaires organiques, de transistors à effet de champ organiques et de capteurs. Les propriétés optoélectroniques de cette molécule proviennent de son noyau conjugué et de la fonctionnalisation en positions 3 et 6, le thiophène, le phényle et le furanne étant les principaux fragments aromatiques utilisés. Par la suite, d'autres fonctionnalités peuvent être ajoutées en fonction des besoins spécifiques et des applications souhaitées. Par exemple, il est possible d'introduire des groupes électroattracteurs ou donneurs d'électrons ou d'étendre la conjugaison en utilisant une stratégie push-pull. Une autre façon d'obtenir les propriétés souhaitées est d'accorder l'état d'agrégation de DPP en utilisant d'autres interactions non covalentes, telles que les liaisons H, en combinaison avec l'empilement présent. Les DPP sont considérés comme des pigments à liaison H en raison de la présence d'amides non substitués dans leur structure. Ces groupes sont normalement alkylés pour assurer la solubilité et, par conséquent, ne sont pas disponibles pour former des liaisons H. Cependant, les groupes H-bonding peuvent être introduits dans différentes parties de la molécule DPP, comme dans la périphérie des anneaux aromatiques habituellement attachés au noyau central ou même comme une partie des queues solubilisantes des groupes amide en attente.
Notre recherche est axée sur la réalisation d'une étude systématique de l'influence des obligations H en utilisant le DPP comme modèle. Plusieurs paramètres sont à l'étude (Figure 1), dont la position de liaison H, la fonction et le nombre de liaisons H, la solubilité et la chiralité.

Figure 1. Différents paramètres étudiés
Des dérivés DPP à base de semicarbazone et d'autres contenant des liaisons amide ont été synthétisés et leurs propriétés optoélectroniques sont à l'étude selon l'état d'agrégation. La spectroscopie UV-Vis, FTIR et la spectroscopie du dichroïsme circulaire (CD) sont utilisées pour ces études, ainsi que différentes techniques de microscopie.

Figure 2. Différents dérivés DPP à liant H préparés
La formation de liaisons hydrogène a entraîné l'apparition d'agrégats J, qui permettent de régler l'écart de bande et de couvrir de plus grandes régions du spectre solaire en modifiant l'état d'agrégation avec différents solvants, concentrations, températures ou en ajoutant des solvants perturbateurs de liaison hydrogène (Figure 3).

Figure 3. UV-Vis de dérivés de la semicarbazone utilisant différents solvants (en solution et en couche mince)
Actuellement, les propriétés de transport de charge de tous les dérivés DPP à liant H synthétisés sont mesurées à l'Université de Kyoto en collaboration avec le groupe du Professeur Shu Seki. Ils utilisent la conductivité micro-ondes à temps résolu par photo-photolyse éclair pour nous aider à examiner tous les paramètres que nous étudions actuellement.
Références
S. Millitzer, T. M. P. P. Tran, P. J. Mesini, A. Ruiz-Carretero. ChemNanoMat. 2018, 8, 790-795.
B. Études morphologiques en temps réel
Afin de faciliter l'étude systématique des dérivés DPP à liaison H, nous travaillons à la fabrication d'un dispositif permettant de mesurer en temps réel les changements de morphologie lors des essais de dispositifs. La vapeur de solvant sera appliquée de manière contrôlée dans une chambre où un substrat à base de condensateurs coplanaires aura un film mince du matériau à étudier.

THEME 5. Thermoélectricité organique

L'équipe SYCOMMOR développe une nouvelle méthode très simple de fabrication de films polymères conducteurs qui permet d’amplifier les propriétés thermoélectriques.
Les chaînes de polymères sont d'abord orientées et cristallisées grâce à la technique de brossage à haute température (Fig1 a). Ensuite, par simple dopage chimique, les couches de polymères au départ semi-conductrices sont transformées en couches conductrices parfaitement orientées et très cristallines. L'équipe s'intéresse aux relations structures - propriétés de ces couches de polymères anisotropes. L’étude des propriétés de transport de charges et thermoélectriques de ces couches montre une augmentation significative de la conductivité et de l’effet « Seebeck » dans la direction des chaînes polymères induite par le brossage (Fig1 d). Les propriétés thermoélectriques de ces polymères permettent en effet de générer une tension, donc un courant électrique par effet dit « Seebeck », lorsque deux jonctions métal/polymère sont placées à des températures différentes.

Fig. 1 : Résultats préliminaires obtenus sur le système P3HT dopé F4TCNQ. a) Illustration du procédé permettant d'obtenir des couches hautement conductrices et orientées ; b) spectroscopie d'absorption polarisée ; c) variation de structure après dopage. Les molécules de dopant s'intercalent au sein des chaînes alkyles des couches de polymères ; d) Anisotropie de conductivité électrique.

L’étape essentielle est la préservation de l'ordre élevé au sein des couches de polymères semi-conducteurs lors du dopage. Ceci est possible lorsque les dopants s'intercalent progressivement dans les couches des chaînes latérales par augmentation de la concentration du dopant. De cette façon, l'intercalation des dopants préserve l'orientation et l'empilement pi des squelettes polymères conjugués.
Nos récents résultats battent un record trentenaire en termes de conductivité de charge et de facteur de puissance thermoélectrique (obtenu à l'époque pour le polyacétylène orienté iodé (PA), système très difficile à mettre en œuvre en raison de la faible solubilité du PA). Nous avons démontré que le dopage au FeCl3 de films hautement cristallins et alignés de C12-PBTTT conduit à des conductivités de charge jusqu'à 2. 105 S/cm et des comportements de puissance thermique de type métallique. La conductivité des charges est fortement anisotrope (fig. 2b) et les bandes polaroniques sont polarisées le long du squelette conjugué du polymère (fig. 2a). La combinaison des études TEM, ED et de spectroscopie d'absorption polarisée de ces films hautement dopés fournit des informations importantes sur la structure. La variation de la structure du polymère lors du dopage est illustrée à la figure 2c.

Fig. 2 : Systèmes de polymères PBTTT hautement dopés a) spectroscopie d'absorption polarisée ; b) Evolution de la conductivité électriques en fonction du taux de dopage obtenue pour un polymère mise en œuvre en solution ; c) variation de structure lors du dopage. Les molécules dopantes s'intercalent au sein des chaînes latérales des couches de polymères.

Cette nouvelle approche permet d'améliorer le facteur de puissance de ces films polymères thermoélectriques en tirant parti de leurs propriétés anisotropes et de démontrer le fort potentiel des polymères conducteurs pour l'électronique flexible. Ces résultats exceptionnels montrent également que cette méthode de fabrication efficace, rapide et peu coûteuse pourrait être appliquée à de nombreux polymères semi-conducteurs.

Références :
1."A versatile method to fabricate highly in-plane aligned conducting polymer films with anisotropic charge transport and thermoelectric properties: Key role of alkyl side chain layers on the doping mechanism". A. Hamidi-Sakr, L. Biniek, J.-L. Bantignies, D. Maurin, L. Herrmann, P. Algayer, N. Leclerc, V. Vijayakumar, N. Zimmermann, P. Lévêque, M. Brinkmann, Adv. Funct. Mat. 2017, 1700173.
2.“Impact of Alkyl Side Chain Length on Doping Kinetics, Thermopower and Charge Transport Properties in Highly Oriented F4TCNQ-Doped PBTTT films” V. Vijayakumar, E. Zaborova, L. Biniek, H. Zeng, L. Herrmann, A. Carvalho, O. Boyron, N. Leclerc, M. Brinkmann, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11 (5), pp 4942–4953.
3.“From Isotropic to Anisotropic Conductivities in P(NDI2OD-T2) by (Electro-)Chemical Doping Strategies", Y. M. Gross, D. Trefz, C. Dingler, D. Bauer, V. Vijayakumar, V. Untilova, L. Biniek, M. Brinkmann,and S. Ludwigs, Chem. Mater., 2019 DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b00977
4.“Bringing conducting polymers to high order: towards conductivities beyond 105 S/cm and thermoelectric power factors of 2 mW.m-1.K-2", V. Vijayakumar, Y. Zhong, V. Untilova, M. Bahri, L. Herrmann, L. Biniek, N.Leclerc and M. Brinkmann, Adv. En. Mater. 2019, 1900266