Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Transfert ultrarapide d’électron et transfert modéré d’énergie au sein d’assemblages supramoléculaires de colorants et d’un cluster de palladium

Résumé : Les transferts d’électrons photo-induits et d’énergie jouent un rôle primordial dans un grand nombre de processus photochimiques et photobiologiques, comme la respiration ou la photosynthèse. Une très grande quantité de systèmes à liaisons covalentes ont été conçus pour copier ces processus de transferts. Cependant, les progrès sont, en grande partie, limités par les difficultés rencontrées dans la synthèse de nouveaux couples de types donneurs-accepteurs. Récemment, des espèces utilisant des liaisons non-covalentes, comme les liaisons hydrogènes, les interactions [pi]-[pi], les liaisons de coordination métal-ligands ou encore les interactions électrostatiques sont le centre d’un nouvel intérêt du fait qu’ils soient plus faciles à synthétiser et à gérer pour obtenir des comportements de transferts d’électrons ou d’énergie plus flexibles et sélectifs. C’est dans cette optique que le travail de cette thèse a été mené, i.e. de concevoir des composés auto-assemblés avec des porphyrines et un cluster de palladium pour l’étude des transferts d’électrons photo-induits et d’énergie. Cette thèse se divise en quatre parties principales. Dans la première section, le chapitre 3, deux colorants porphyriniques, soit le 5-(4-carboxylphényl)-10, 15, 20-tristolyl(porphyrinato)zinc(II) (MCP, avec Na+ comme contre-ion) et 5, 15-bis(4-carboxylphényl)-15, 20-bistolyl(porphyrinato)zinc(II) (DCP, avec Na+ comme contre-ion) ont été utilisés comme donneurs d’électrons, et le [Pd3(dppm)3(CO)]2+ ([Pd32+], dppm = (Ph2P)2CH2, PF6‾ est le contre-ion) a été choisi comme accepteur d’électrons. La structure de l’assemblage [Pd32+]•••porphyrine a été élucidée par l’optimisation des géométries à l’aide de calculs DFT. La spectroscopie d’absorption transitoire (TAS) montre la vitesse de transferts d’électrons la plus rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection) jamais enregistrée pour ce type de système (porphyrine-accepteur auto-assemblés). Généralement, ces processus sont de l’ordre de l’échelle de la ps-ns. Cette vitesse est comparable aux plus rapides transferts d’électrons rapportés dans le cas de systèmes covalents de type porphyrine-accepteur rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection). Ce transfert d’électrons ultra-rapide (ket > 1.2 × 1013 s-1) se produit à l’état énergétique S1 des colorants dans une structure liée directement par des interactions ioniques, ce qui indique qu’il n’est pas nécessaire d’avoir de forts liens ou une géométrie courbée entre le donneur et l’accepteur. Dans une deuxième section, au chapitre 4, nous avons étudié en profondeur l’effet de l’utilisation de porphyrines à systèmes π-étendus sur le comportement des transferts d’électrons. Le colorant 9, 18, 27, 36-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPBP, avec Na+ comme contre-ion) a été sélectionné comme candidat, et le 5, 10, 15, 20-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)porphyrineatozinc(II) (TCPP, avec Na+ comme contre-ion) a aussi été utilisé à des fins de comparaisons. TCPBP et TCPP ont, tous deux, été utilisés comme donneurs d’électrons pour fabriquer des assemblages supramoléculaires avec le cluster [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Les calculs DFT ont été réalisés pour expliquer les structures de ces assemblages. Dans les conditions expérimentales, ces assemblages sont composés principalement d’une porphyrine avec 4 équivalents de clusters. Ces systèmes ont aussi été investigués par des mesures de quenching (perte de luminescence), par électrochimie et par d’autres techniques. Les transferts d’électrons (< 85 fs; temps inférieurs à la limite de détection) étaient aussi observés, de façon similaire aux assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les résultats nous indiquent que la modification de la structure de la porphyrine vers la tétrabenzoporphyrine ne semble pas influencer le comportement des cinétiques de transferts d’électrons (aller ou retour). Dans la troisième section, le chapitre 5, nous avons synthétisé la porphyrine hautement [pi]-conjuguée: 9, 18, 27, 36-tétra-(4-carboxyphényléthynyl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPEBP, avec Na+ comme contre-ion) par des fonctionnalisations en positions meso- et β, β-, qui présente un déplacement vers le rouge de la bande de Soret et des bandes Q. TCPEBP était utilisé comme donneur d’électrons pour fabriquer des motifs supramoléculaires avec le [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Des expériences en parallèle ont été menées en utilisant la 5, 10, 15, 20-tétra-(4-carboxyphényl)éthynylporphyrinatozinc(II) (TCPEP, avec Na+ comme contre-ion). Des calculs DFT et TDDFT ont été réalisés pour de nouveau déterminer de façon théorique les structures de ces systèmes. Les constantes d’association pour les assemblages TCPEBP•••[Pd32+]x sont les plus élevées parmi tous les assemblages entre des porphyrines et le cluster de palladium rencontrés dans la littérature. La TAS a montré, encore une fois, des processus de transferts d’électrons dans des échelles de l’ordre de 75-110 fs. Cependant, les transferts de retour d’électrons sont aussi très rapides (< 1 ps), ce qui est un obstacle potentiel pour des applications en cellules solaires à pigment photosensible (DSSCs). Dans la quatrième section, le chapitre 6, les transferts d’énergie triplets (TET) ont été étudiés pour les assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les analyses spectrales des états transitoires dans l’échelle de temps de la ns-[mu]s démontrent de façon évidente les TETs; ceux-ci présentent des transferts d’énergie lents et/ou des vitesses moyennes pour des transferts d’énergie T1-T1 (3dye*•••[Pd32+] → dye•••3[Pd32+]*) opérant à travers exclusivement le mécanisme de Förster avec des valeurs de kET autour de ~ 1 × 105 s-1 selon les mesures d’absorption transitoires à 298 K. Des forces motrices non-favorables rendent ces types de processus non-opérants ou très lents dans les états T1. L’état T1 de [Pd32+] (~8190 cm-1) a été qualitativement déterminé par DFT et par la mise en évidence de l’émission S0 ← Tn retardée à 680-700 nm provenant de l’annihilation T1-T1, ce qui fait que ce cluster peut potentiellement agir comme un donneur à partir de ses états Tn, et accepteur à partir de T1 à l’intérieur de ces assemblages. Des pertes d’intensités de types statiques pour la phosphorescence dans le proche-IR sont observées à 785 nm. Ce travail démontre une efficacité modérée des colorants à base de porphyrines pour être impliquée dans des TETs avec des fragments organométalliques, et ce, même attachées grâce à des interactions ioniques. En conclusion, les assemblages ioniques à base de porphyrines et de clusters de palladium présentent des propriétés de transferts d’électrons S1 ultra-rapides, et des transferts d’énergie T1 de vitesses modérées, ce qui est utile pour de possibles applications comme outils optoélectroniques. D’autres études, plus en profondeur, sont présentement en progrès.

A study of the vacuum gamma-radiolysis of two aromatic polyimide fluoropolymers containing phenylphosphine oxide

The vacuum gamma -radiolysis of two fluorinated polyimides containing phenylphosphine oxide units, TOR-RC and TOR-RC ODPA, have been studied at 77 K and 300 K. The phenyl phosphine oxide units provide protection of the polymers towards oxidation by oxygen atoms and the bulky fluoromethyl groups reduce the colouration of the polymers by limiting donor-acceptor complex formation through the aromatic units. At 77 K the radicals formed were identified to be a mixture of neutral radicals (60%) and anion radicals. At 300 K only neutral radicals were found. The G-values for radical formation were found to be 0.50 and 0.42 at 77 K and 0.051 and 0.052 at 300 K for TOR-RC and TOR-RC ODPA, respectively. Little change was observed in the visible spectra of the polyimides following vacuum radiolysis at 300 K up to a dose of 3.3 MGy, and the polymers were shown to undergo net cross linking with a gel dose of 0.45 MGy.

Photoluminescence and electrical study of fluctuating potentials in Cu2ZnSnS4-based thin films

In this work, we investigated structural, morphological, electrical, and optical properties from a set of Cu2ZnSnS4 thin films grown by sulfurization of metallic precursors deposited on soda lime glass substrates coated with or without molybdenum. X-ray diffraction and Raman spectroscopy measurements revealed the formation of single-phase Cu2ZnSnS4 thin films. A good crystallinity and grain compactness of the film was found by scanning electron microscopy. The grown films are poor in copper and rich in zinc, which is a composition close to that of the Cu2ZnSnS4 solar cells with best reported efficiency. Electrical conductivity and Hall effect measurements showed a high doping level and a strong compensation. The temperature dependence of the free hole concentration showed that the films are nondegenerate. Photoluminescence spectroscopy showed an asymmetric broadband emission. The experimental behavior with increasing excitation power or temperature cannot be explained by donor-acceptor pair transitions. A model of radiative recombination of an electron with a hole bound to an acceptor level, broadened by potential fluctuations of the valence-band edge, was proposed. An ionization energy for the acceptor level in the range 29–40 meV was estimated, and a value of 172 ±2 meV was obtained for the potential fluctuation in the valence-band edge.

Study of optical and structural properties of Cu2ZnSnS4 thin films

Cu2ZnSnS4 is a promising semiconductor to be used as absorber in thin film solar cells. In this work, we investigated optical and structural properties of Cu2ZnSnS4 thin films grown by sulphurization of metallic precursors deposited on soda lime glass substrates. The crystalline phases were studied by X-ray diffraction measurements showing the presence of only the Cu2ZnSnS4 phase. The studied films were copper poor and zinc rich as shown by inductively coupled plasma mass spectroscopy. Scanning electron microscopy revealed a good crystallinity and compactness. An absorption coefficient varying between 3 and 4×104cm−1 was measured in the energy range between 1.75 and 3.5 eV. The band gap energy was estimated in 1.51 eV. Photoluminescence spectroscopy showed an asymmetric broad band emission. The dependence of this emission on the excitation power and temperature was investigated and compared to the predictions of the donor-acceptor-type transitions and radiative recombinations in the model of potential fluctuations. Experimental evidence was found to ascribe the observed emission to radiative transitions involving tail states created by potential fluctuations.

Lanthanide Chelates as Donors in Fluorescence Resonance Energy Transfer: Exciting Prospects for Bioaffinity Assay Detection

Fluorescence resonance energy transfer (FRET) is a non-radiative energy transfer from a fluorescent donor molecule to an appropriate acceptor molecule and a commonly used technique to develop homogeneous assays. If the emission spectrum of the donor overlaps with the excitation spectrum of the acceptor, FRET might occur. As a consequence, the emission of the donor is decreased and the emission of the acceptor (if fluorescent) increased. Furthermore, the distance between the donor and the acceptor needs to be short enough, commonly 10-100 Å. Typically, the close proximity between the donor and the acceptor is achieved via bioaffinity interactions e.g. antibody binding antigen. Large variety of donors and acceptors exist. The selection of the donor/acceptor pair should be done not only based on the requirements of FRET but also the performance expectancies and the objectives of the application should be considered. In this study, the exceptional fluorescence properties of the lanthanide chelates were employed to develop two novel homogeneous immunoassays: a non-competitive hapten (estradiol) assay based on a single binder and a dual-parametric total and free PSA assay. In addition, the quenching efficiencies and energy transfer properties of various donor/acceptor pairs were studied. The applied donors were either europium(III) or terbium(III) chelates; whereas several organic dyes (both fluorescent and quenchers) acted as acceptors. First, it was shown that if the interaction between the donor/acceptor complexes is of high quality (e.g. biotin-streptavidin) the fluorescence of the europium(III) chelate could be quenched rather efficiently. Furthermore, the quenching based homogeneous non-competitive assay for estradiol had significantly better sensitivity (~67 times) than a corresponding homogeneous competitive assay using the same assay components. Second, if the acceptors were chosen to emit at the emission minima of the terbium(III) chelate, several acceptor emissions could be measured simultaneously without significant cross-talk from other acceptors. Based on these results, the appropriate acceptors were chosen for the dual-parameter assay. The developed homogeneous dual-parameter assay was able to measure both total and free PSA simultaneously using a simple mix and measure protocol. Correlation of this assay to a heterogeneous single parameter assay was excellent (above 0.99 for both) when spiked human plasma samples were used. However, due to the interference of the sample material, the obtained concentrations were slightly lower with the homogeneous than the heterogeneous assay, especially for the free PSA. To conclude, in this work two novel immunoassay principles were developed, which both are adaptable to other analytes. However, the hapten assay requires a rather good antibody with low dissociation rate and high affinity; whereas the dual-parameter assay principle is applicable whenever two immunometric complexes can form simultaneously, provided that the requirements of FRET are fulfilled.

Electron migration in DNA matrix: an electron transfer reaction

This paper brings an active and provocative area of current research. It describes the investigation of electron transfer (ET) chemistry in general and ET reactions results in DNA in particular. Two DNA intercalating molecules were used: Ethidium Bromide as the donor (D) and Methyl-Viologen as the acceptor (A), the former intercalated between DNA bases and the latter in its surface. Using the Perrin model and fluorescence quenching measurements the distance of electron migration, herein considered to be the linear spacing between donor and acceptor molecule along the DNA molecule, was obtained. A value of 22.6 (± 1.1) angstroms for the distance and a number of 6.6 base pairs between donor and acceptor were found. In current literature the values found were 26 angstroms and almost 8 base pairs. DNA electron transfer is considered to be mediated by through-space interactions between the p-electron-containing base pairs.

Two-dimensional drift-diffusion simulation of organic solar cells

The aim of this master's thesis is to develop a two-dimensional drift-di usion model, which describes charge transport in organic solar cells. The main bene t of a two-dimensional model compared to a one-dimensional one is the inclusion of the nanoscale morphology of the active layer of a bulk heterojunction solar cell. The developed model was used to study recombination dynamics at the donor-acceptor interface. In some cases, it was possible to determine e ective parameters, which reproduce the results of the two-dimensional model in the one-dimensional case. A summary of the theory of charge transport in semiconductors was presented and discussed in the context of organic materials. Additionally, the normalization and discretization procedures required to nd a numerical solution to the charge transport problem were outlined. The charge transport problem was solved by implementing an iterative scheme called successive over-relaxation. The obtained solution is given as position-dependent electric potential, free charge carrier concentrations and current densities in the active layer. An interfacial layer, separating the pure phases, was introduced in order to describe charge dynamics occurring at the interface between the donor and acceptor. For simplicity, an e ective generation of free charge carriers in the interfacial layer was implemented. The pure phases simply act as transport layers for the photogenerated charges. Langevin recombination was assumed in the two-dimensional model and an analysis of the apparent recombination rate in the one-dimensional case is presented. The recombination rate in a two-dimensional model is seen to e ectively look like reduced Langevin recombination at open circuit. Replicating the J-U curves obtained in the two-dimensional model is, however, not possible by introducing a constant reduction factor in the Langevin recombination rate. The impact of an acceptor domain in the pure donor phase was investigated. Two cases were considered, one where the acceptor domain is isolated and another where it is connected to the bulk of the acceptor. A comparison to the case where no isolated domains exist was done in order to quantify the observed reduction in the photocurrent. The results show that all charges generated at the isolated domain are lost to recombination, but the domain does not have a major impact on charge transport. Trap-assisted recombination at interfacial trap states was investigated, as well as the surface dipole caused by the trapped charges. A theoretical expression for the ideality factor n_id as a function of generation was derived and shown to agree with simulation data. When the theoretical expression was fitted to simulation data, no interface dipole was observed.

NMR studies of mixed tetrahaloborates and some related boron trihalide complexes /|nGary John Schrobilgen. -- 260 St. Catharines, Ont. : [s. n.],

Nuclear magnetic resonance spectroscopy has been used to study donor-acceptor complexes of boron trifluoride with several ureas, tetramethylthiourea, tetramethylselenourea, and tetramethylquanidine as well as adducts of tetramethyl- -urea with BF2Cl, BFC1 2 , and BC1 3 - A large number of mixed tetrahaloborate ions, including some of the ternary ones such as BF2CIBr-,have been obtained by ligand exchange reactions and studied by NMR techniques. The bonding in these ions is of the same inherent interest as the bonding in the isoelectronic tetrahalomethanes which have been the subject of many detailed studies and have been involved in a controversy concerning the existence of and the nature of "fluorine hyperconjugation" or C-F P1T- Pn bonding_ Ligand exchange reactions also gave rise to the difluoroboron cation, (TMU)20BF2+o The difluoroboron cation has been observed in solutions of TMU-BF3 , and has been proposed as a possible intermediate for fluorine exchange reactions in BF3 adducts.

NMR studies of the exchange reactions of CH3CN.BX3 with excess CH3CN /|nJoseph Fogelman. -- 260 St. Catharines, Ont. : [s. n.],

Exchange reactions between molecular complexes and excess acid or base are well known and have been extensively surveyed in the literature(l). Since the exchange mechanism will, in some way involve the breaking of the labile donor-acceptor bond, it follows that a discussion of the factors relating to bonding in molecular complexes will be relevant. In general, a strong Lewis base and a strong Lewis acid form a stable adduct provided that certain stereochemical requirements are met. A strong Lewis base has the following characteristics (1),(2) (i) high electron density at the donor site. (ii) a non-bonded electron pair which has a low ionization potential (iii) electron donating substituents at the donor atom site. (iv) facile approach of the site of the Lewis base to the acceptor site as dictated by the steric hindrance of the substituents. Examples of typical Lewis bases are ethers, nitriles, ketones, alcohols, amines and phosphines. For a strong Lewis acid, the following properties are important:( i) low electron density at the acceptor site. (ii) electron withdrawing substituents. (iii) substituents which do not interfere with the close approach of the Lewis base. (iv) availability of a vacant orbital capable of accepting the lone electron pair of the donor atom. Examples of Lewis acids are the group III and IV halides such (M=B, AI, Ga, In) and MX4 - (M=Si, Ge, Sn, Pb). The relative bond strengths of molecular complexes have been investigated by:- (i) (ii) (iii) (iv) (v] (vi) dipole moment measurements (3). shifts of the carbonyl peaks in the IIIR. (4) ,(5), (6) .. NMR chemical shift data (4),(7),(8),(9). D.V. and visible spectrophotometric shifts (10),(11). equilibrium constant data (12), (13). heats of dissociation and heats of reactions (l~), (16), (17), (18), (19). Many experiments have bben carried out on boron trihalides in order to determine their relative acid strengths. Using pyridine, nitrobenzene, acetonitrile and trimethylamine as reference Lewis bases, it was found that the acid strength varied in order:RBx3 > BC1 3 >BF 3 • For the acetonitrile-boron trihalide and trimethylamine boron trihalide complexes in nitrobenzene, an-NMR study (7) showed that the shift to lower field was. greatest for the BB~3 adduct ~n~ smallest for the BF 3 which is in agreement with the acid strengths. If electronegativities of the substituents were the only important effect, and since c~ Br ,one would expect the electron density at the boron nucleus to vary as BF3

Calculs ab initio de structures électroniques pour un meilleur design de polymères photovoltaïques

La présente thèse porte sur l'utilité de la théorie de la fonctionnelle de la densité dans le design de polymères pour applications photovoltaïques. L'étude porte d'abord sur le rôle des calculs théoriques pour la caractérisation des polymères dans le cadre de collaborations entre la théorie et l'expérience. La stabilité et les niveaux énergétiques de certaines molécules organiques sont étudiés avant et après la sulfuration de leurs groupements carbonyles, un procédé destiné à diminuer le band gap. Les propriétés de dynamique électronique, de séparation des porteurs de charges et de spectres de vibrations Raman sont également explorées dans un polymère à base de polycarbazole. Par la suite, l'utilité des calculs théoriques dans le design de polymères avant leurs synthèses est considérée. La théorie de la fonctionnelle de la densité est étudiée dans le cadre du modèle de Scharber afin de prédire l'efficacité des cellules solaires organiques. Une nouvelle méthode de design de polymères à faible band gaps, basée sur la forme structurale aromatique ou quinoide est également présentée, dont l'efficacité surpasse l'approche actuelle de donneur-accepteur. Ces études sont mises à profit dans l'exploration de l'espace moléculaire et plusieurs candidats de polymères aux propriétés électroniques intéressantes sont présentés.

Acid-Base, Surface electron donating and catalytic properties of binary oxides of Zr with rare earth elements

Department of Applied Chemistry, Cochin University of Science and Technology

Electron-donating, acid-base, and magnetic properties of samaria catalyst

The electron-donor properties of Sm2O3 activated at 300, 500, and 800°C are reported from studies on the adsorption of electron acceptors of various electron affinities (electron affinity values in eV are given in parentheses): 7,7,8,8-tetracyanoquino-dimethane (2.84), 2,3,5,6-tetrachloro-1,4-benzoquinone (2.40), p-dinitrobenzene (1.77), and m-dinitrobenzene (1.26) in acetonitrile and 1,4-dioxane. The extent of electron transfer during the adsorption was determined from magnetic measurements. The acid-base properties of Sm2O3 at different activation temperatures are reported using a set of Hammett indicators. Electron donor-acceptor interactions at interfaces are important in elucidating the adhesion forces.

Acid-Base. Surface Electron Donatin6 &.Catai.Ytlc Properties Of Some Binary Mixed Oxides Containing Rare Earth Elements

Catalysis research underpins the science of modern chemical processing and fuel technologies. Catalysis is commercially one of the most important technologies in national economies. Solid state heterogeneous catalyst materials such as metal oxides and metal particles on ceramic oxide substrates are most common. They are typically used with commodity gases and liquid reactants. Selective oxidation catalysts of hydrocarbon feedstocks is the dominant process of converting them to key industrial chemicals, polymers and energy sources.[1] In the absence of a unique successfiil theory of heterogeneous catalysis, attempts are being made to correlate catalytic activity with some specific properties of the solid surface. Such correlations help to narrow down the search for a good catalyst for a given reaction. The heterogeneous catalytic performance of material depends on many factors such as [2] Crystal and surface structure of the catalyst. Thermodynamic stability of the catalyst and the reactant. Acid- base properties of the solid surface. Surface defect properties of the catalyst.Electronic and semiconducting properties and the band structure. Co-existence of dilferent types of ions or structures. Adsorption sites and adsorbed species such as oxygen.Preparation method of catalyst , surface area and nature of heat treatment. Molecular structure of the reactants. Many systematic investigations have been performed to correlate catalytic performances with the above mentioned properties. Many of these investigations remain isolated and further research is needed to bridge the gap in the present knowledge of the field.