Photophysical Investigations of Thiophene Azomethine Derivatives

Une série de dimères composés de thiophène-aniline encombrée stériquement a été synthétisée. Les différents processus de désactivation de l’état singulet excité ont été étudiés par UV-visible, fluorescence, phosphorescence, photolyse par impulsion laser et calculs théoriques. Les graphiques de Stern-Volmer obtenus à partir des expériences de désactivation des états singulet et triplet ont démontré l’efficacité de l’azométhine à désactiver les fluorophores. Les calculs semi-empiriques AM1 examinant l’effet des substituants encombrés ont démontrés que les groupements tert-butyls sur l’aniline ont moins d’influence sur la barrière de rotation N-aryl que les substitutions alkyles en ont sur la rotation de thiophène-C. Les calculs Rehm-Weller basés sur les potentiels d’oxydation et de réduction ont montré que l’autodésactivation de l’état excité des azométhines se fait par transfert d’électron photoinduit menant à une éradication complète de la fluorescence. Des complexes métalliques contenant des ligands azométhines ont aussi été préparés. Le ligand est composé d’une unité hydroxyquinoline lié à un cycle thiophène. Les données photophysiques de ces complexes indiquent un déplacement bathochromique aussi bien en absorbance qu’en fluorescence. Des dispositifs de détection d’ion métallique ont été préparés et un exemple à partir d’une solution de cuivre a montré un déplacement bathochromique.

Polyoxométallates hybrides : vers des systèmes covalents photoactifs dans le visible

Réalisé en cotutelle, sous la direction du Pr. Bernold Hasenknopf, à l'Institut Parisien de Chimie Moléculaire, Université Pierre et Marie Curie (Paris VI, France) et dans le cadre de l'Ecole Doctorale "Physique et Chimie des Matériaux" - Spécialité Chimie Inorganique (ED397).

La cristallisation de quatre poly(1,3-dioxolannes) de masses molaires différentes

Le poly(1,3-dioxolanne) (PDOL) est un polymère semi-cristallin présentant à l’état solide quatre morphologies différentes (Phases I, IIa, IIb et III). Les transformations d'une phase à l'autre ont été suivies par microscopie optique polarisée (MOP) et microscopie à force atomique (AFM) en fonction de la température de cristallisation et de la masse molaire. La Phase I présente une morphologie sphérolitique tandis que la Phase IIa peut croître à partir de la Phase I ou spontanément. De façon inattendue, la Phase IIa, devient très biréfringente et cette nouvelle morphologie est appelée Phase IIb. Quand la transformation IIa-IIb est terminée, une nouvelle phase, la Phase III, croît à partir de la Phase IIb. La Phase III n'a jamais été observée sans la présence de Phase IIb; en outre, la Phase IIb remplace toujours la Phase IIa. Ce phénomène est appelé germination croisée. La mesure de la température de fusion des phases par MOP a permis d’établir leur stabilité relative: IIb > III >IIa. La vitesse de croissance (G) des sphérolites a été mesurée sur une plage de températures de 10,0 à 24,0 °C et montre une grande dépendance avec la masse molaire. Ces mesures ont révélé l’existence d’une masse molaire critique, autour de 5000 g.mol-1, en-dessous de laquelle nous avons observé GIIa > GIII et au-dessus de laquelle la relation est inversée avec GIII > GIIa. Finalement, nous avons exploré l’influence de l’ajout d’un deuxième polymère amorphe sur l’évolution des phases optiques dans des mélanges PDOL-PMMA, PDOL-PVC et PDOL-PVAc. Nous avons observé les mêmes transitions de phases que pour le PDOL pur et un certain degré de compatibilité dans le cas du PDOL-PMMA et du PDOL-PVC.

Préparation, étude de l’orientation et caractérisation physico-chimique de films polymères comportant des fluorophores

Les propriétés intrinsèques, photophysiques, électrochimiques et cristallographiques des molécules fluorescentes 4,4'-bis(2-benzoxazolyle)stilbène (BBS) et 2,5-bis(5-tert-butyl-2-benzoxazolyle)thiophène (BBT) ont été étudiées en solution et dans les polymères semi-cristallins : poly(butylène succinate) (PBS) et polylactide (PLA). Les deux fluorophores sont caractérisés par de hauts rendements quantiques absolus de fluorescence. Toutefois, une désactivation de la fluorescence peut se produire par croisement intersystème vers l'état triplet pour le BBT, et par photoisomérisation trans-cis pour le BBS. La cinétique de ce dernier processus dépend de la concentration, résultant en un pur isomère cis photo-induit à faibles concentrations, qui est accompagné à des concentrations élevées par l'apparition d'un composé acide après photo-clivage suivi d'une oxydation. Cette étude a révélé des changements spectroscopiques prononcés suite à l’augmentation de la concentration des fluorophores, en particulier à l'état solide, spécifiques à l'agrégation des molécules à l'état fondamental pour le BBT et à la formation d’excimères pour le BBS, permettant ainsi de corréler les propriétés fluorescentes avec les caractéristiques du monocristal pour chaque fluorophore. En outre, le passage d’une dispersion moléculaire à une séparation de phases dans le cas du BBS est accompagné d'un changement de couleur du bleu au vert, qui est sensible à la déformation, à la température et au temps, affectant les rendements quantiques absolus de fluorescence et fournissant une large opportunité à la création d'une grande variété de polymères intelligents indicateurs capables d'auto-évaluation. D’autre part, la solubilité élevée du BBT dans les solvants courants, combinée à ses propriétés optoélectroniques élevées, en font un candidat en tant que référence universelle de fluorescence et matériau intelligent à la fois pour les études de polymères et en solution. Similairement aux mélanges comprenant des polymères miscibles, l'orientation du PBS augmente après ajout d'une molécule fluorescente, dont les monomères ont tendance à être orientés dans des films étirés, contrairement aux excimères ou agrégats.

Signature optique d’effet Stark dans une bicouche de CuPc:C60

Les hétérojonctions formées de deux matériaux, un donneur et un accepteur (D/A), sont la base de la majorité des mélanges photovoltaïques organiques. Les mécanismes de séparation des charges dans ces systèmes représentent aujourd'hui l'un des sujets les plus chauds et les plus débattus dans ce domaine. Nous entrons au coeur de ce débat en choisissant un système D/A à base de phtalocyanine de cuivre (CuPc) et de fullerène (C60). Pour sonder les états excités de nos molécules et obtenir de l'information sur les phénomènes à l'interface D/A, nous réalisons une expérience pompe-sonde, appelée absorption photoinduite (PIA). Nous y mesurons le changement fractionnaire de transmission au travers de l'échantillon. Les mesures de PIA sont réalisées à l'état de quasi équilibre, à T=10K. Nous observons une modulation prononcée dans la région du photoblanchiment de l'état fondamental qui nous indique que la pompe induit un décalage du spectre d'absorption de l'état fondamental. Ce décalage peut être expliqué par deux processus : soit l'échantillon est chauffé par la pompe (effet thermique) ou bien des charges sont créées à l'interface entre les deux matériaux (effet Stark). La dépendance en température du spectre d'absorption entre 10K et 290K montre une signature thermique pour un changement de température de 80K. Grâce au ratio des raies Raman anti-Stokes et Stokes, nous démontrons que la pompe chauffe l'échantillon de 34 K, température insuffisante pour attribuer notre signal à un effet thermique. Nous évaporons ensuite la bicouche CuPc/C60 sur de l'ITO et du saphir, substrats qui possèdent des conductivités thermiques différentes et nous observons le même signal de PIA, excluant par le fait même l'hypothèse de l'effet thermique. Puisque notre étude est comparable à la spectroscopie à effet Stark, nous procédons à une analyse similaire en comparant notre signal de PIA au spectre de la transmittance et à ses dérivés première et seconde. Nous observons alors que notre signal reproduit presque parfaitement la dérivée seconde de la transmittance. Ces résultats sont conformes à une signature optique d'effet Stark due à la création de charges à l'interface D/A.

Étude de dépendance des dynamiques de Polarons avec microstructures des semi-conducteurs polymériques

Cet ouvrage présente une étude portant sur le polymère P3EHT (poly(3-(20-ethyl)hexyl-thiophene)). Parmi les nombreuses caractéristiques de la dynamique des polarons pouvant être étudiées, seules celles liées aux changement de morphologie le seront dans ce travail. De plus, la vérification du modèle HJ permet d’expliquer la photophysique des polymères conjugués, grâce à l’étude des spectres de photoluminescence. L’étude de la dynamique des polarons à travers l’absorption photo-induite en fonction de la fréquence a permis de trouver les durées de vie pour un même échantillon avec des morphologies différentes. Les résultats ont démontré que la morphologie est non seulement fondamentale pour l’étude des polarons, mais consiste aussi en une caractéristique essentielle pour comprendre le nouveau modèle HJ.

The photoemission optogalvanic effect in a Ne-Nd hollow cathode

Laser-induced photoelectric and photoemission optogalvanic effects in a Ne-Nd hollow cathode discharge have been studied using a continuous wave laser source. The potential barrier for photoinduced electron emission from the cathode decreases as the applied voltage is increased. Owing to secondary electron emission in the plasma, the photocurrent is greater than that without discharge. The multiplication of secondary electrons and the quantum efficiency are also investigated.

Fabrication and Characterization of Chalcogenide nano composite based materials for Photonic device applications

In this context,in search of new materials based on chalcogenide glasses,we have developed a novel technique for fabrication of chalcogenide nano composites which are presented in this theis.The techniques includes the dissolution of bulk chalcogenide glasses in amine solvent.This solution casting method allows to retain the attractive optical properties of chalcogenide glasses enabling new fabrication routes for realization of large area thick-thin films with less cost. Chalcogenide glass fiber geometry opens new possibilities for a large number of applications in optics,like remote temperature measurements ,CO2 laser power delivery, and optical sensing and single mode propagation of IR light.We have fabricated new optical polymer fibers doped with chalcogenide glasses which can be used for many optical applications.The present thesis also describes the structural,thermal and optical characterization of certain chalocogenide based materials prepared for different methods and its applications.

Cadmium Selenide Based Core-Shell Quantum Dots for Biosensing and Imaging Applications

The overall focus of the thesis involves the synthesis and characterization of CdSe QDs overcoated with shell materials for various biological and chemical sensing applications. Second chapter deals with the synthesis and characterization of CdSe and CdSe/ZnS core shell QDs. The primary attention of this work is to develop a simple method based on photoinduced charge transfer to optimize the shell thickness. Synthesis of water soluble CdSe QDs, their cytotoxicity analysis and investigation of nonlinear optical properties form the subject of third chapter. Final chapter deals with development of QD based sensor systems for the selective detection of biologically and environmentally important analytes from aqueous media.

Studies on the Solvent Dependence in the Reaction of a Few (Anthracen-9-yl)MethyLamines and Sulfanes with Reactive Acetylenes

The thesis entitled ‘Studies on the Solvent Dependence in the Reaction of a Few (Anthracen-9-yl)methylamines and Sulfanes with Reactive Acetylenes’ is divided into six chapters. ln Chapter l a general survey of electron transfer reactions, Diels-Alder reactions and Michael-type additions is presented. A detailed discussion on the synthesis of several (anthracen-9-yl)methylamines is presented in Chapter 2. In Chapter 3, results of preliminary photophysical studies on a few (anthracen-9yl) methylamines are compiled. A detailed discussion on extensive examination of dependence in the reaction of (anthracen-9-yl)methylamines with reactive acetylenes is presented Chapter 4. Details on the synthesis and reaction of a few (anthracen-9-yl)methylsulfanes with DMAD are described in Chapter 5.

Phenylethynylarene Based Donor-Acceptor Systems: Design, Synthesis and Photophysical Studies

This thesis Entitled phenylethynylarene based Donor-Acceptor systems:Desigh,Synthesis and Photophysical studies. A strategy for the design of donor-acceptor dyads, wherein decay of the charge separated (CS) state to low lying local triplet levels could possibly be prevented, is proposed. In order to examine this strategy, a linked donor-acceptor dyad BPEPPT with bis(phenylethYlly/)pyrene (BPEP) as the light absorber and acceptor and phenothiazine (PT) as donor was designed and photoinduced electron transfer in the dyad investigated. Absorption spectra of the dyad can be obtained by adding contributions due 10 the BPEP and PT moieties indicating that the constituents do not interact in the ground stale. Fluorescence of the BPEP moiety was efficiently quenched by the PT donor and this was attributed to electron lransfer from PT to BPEP. Picosecond transient absorption studies suggested formation of a charge separated state directly from the singlet excited state of BPEP. Nanosecond flash photolysis experiments gave long-ived transient absorptions assignable to PT radical cation and BPEP radical anion. These assignments were confirmed by oxygen quenching studies and secondary electron transfer experiments. Based on the available data, energy level diagram for BPEP-PT was constructed. The long lifetime of the charge separated state was attributed to the inverted region effects. The CS state did not undergo decay to low lying BPEP triplet indicating the success of our strategy

Ground and Excited State Electron Transfer Reaction Between a few Anthracene Appended Tertiary Amines and Suitable Electron Acceptors

the thesis entitled “Ground and Excited State Electron Transfer Reaction Between a few Anthracene Appended Tertiary Amines and Suitable Electron Acceptors” portrays our attempts to explore the solvent, concentration and temperature effect of the reaction between a few (anthracen-9- yl)methanamines with electron acceptors like DMAD, DBA and DBE. We have also studied the effect of solvent and percentage fluorescence quenching in the photoinduced electron transfer reactions of these ‘donor-spacer-acceptor’ systems. Finally we look in to the intramolecular electron transfer reactions of a few tertiary amine appended dibenzobarrelenes and bisdibenzobarrelenes