Dynamique de séparation de charges à l'hétérojonction de semi-conducteurs organiques

Une compréhension profonde de la séparation de charge à l’hétérojonction de semi-con- ducteurs organiques est nécessaire pour le développement de diodes photovoltaïques organiques plus efficaces, ce qui serait une grande avancée pour répondre aux besoins mondiaux en énergie durable. L’objectif de cette thèse est de décrire les processus impliqués dans la séparation de charges à hétérojonctions de semi-conducteurs organiques, en prenant en exemple le cas particulier du PCDTBT: PCBM. Nous sondons les excitations d’interface à l’aide de méthodes spectroscopiques résolues en temps couvrant des échelles de temps de 100 femto- secondes à 1 milliseconde. Ces principales méthodes spectroscopiques sont la spectroscopie Raman stimulée femtoseconde, la fluorescence résolue en temps et l’absorption transitoire. Nos résultats montrent clairement que le transfert de charge du PCDTBT au PCBM a lieu avant que l’exciton ne soit relaxé et localisé, un fait expérimental irréconciliable avec la théorie de Marcus semi-classique. La paire de charges qui est créée se divise en deux catégories : les paires de polarons géminales non piégées et les paires profondément piégées. Les premiers se relaxent rapidement vers l’exciton à transfert de charge, qui se recombine radiativement avec une constante de temps de 1– 2 nanoseconde, alors que les seconds se relaxent sur de plus longues échelles de temps via l’effet tunnel. Notre modèle photophysique quantitatif démontre que 2 % de l’excitation créée ne peut jamais se dissocier en porteurs de charge libre, un chiffre qui est en accord avec les rendements élevés rapportés pour ce type de système.

Spectroscopie de luminescence à température et pression variables pour des complexes des lanthanides et de l'or

Ce travail est axé vers la compréhension détaillée des propriétés de luminescence de composés de certains métaux lourds. La première partie de ce mémoire décrit la caractérisation spectroscopique d'un radical de type nitronyle nitroxyde, 2-(2-pyridinyl)-4,4,5,5-tétraméthyl-4,5-dihydro-1H-imidazolyl-1-oxyl-3-oxyde, abrégé (NIT2-Py), et de ses complexes avec les cations Tb(III), [Tb(hfac)3NIT2-Py], et Y(III), [Y(hfac)3NIT2-Py]. La variation de la température affecte les spectres de luminescence qui montrent de la structure vibronique résolue. Les maxima de ces transitions vibroniques se rapprochent au fur et à mesure que la température augmente. Ces variations des maxima en fonction de la température ne correspondent pas à des variations de fréquences vibrationnelles et sont de l'ordre de 200 cm-1 entre 80 K et 240 K. La variation de la température n'a pas d'influence significative sur la structure moléculaire, comme atteste la variation mineure des maxima des spectres Raman entre 80 K et 300 K. La comparaison des spectres expérimentaux à des spectres calculés montre que ces variations peuvent être reproduites par l'utilisation d'une combinaison de fréquences vibrationnelles. Le paramètre dont la variation est très significative est la résolution du spectre de luminescence, représentée par la largeur à mi-hauteur des transitions vibroniques qui forment le spectre de luminescence. La deuxième partie de ce mémoire décrit les propriétés de luminescence d'une série de complexes d’or(I). Elles sont comparées aux changements structuraux à pression et température variable. Les interactions aurophiles ont une grande influence sur la luminescence. La variation de la température et de la pression est une approche efficace pour varier la luminescence. Les effets observés dans les spectres d'émission de ces complexes dépendent des changements de structure induits par variation de la température et de la pression. Ces petites variations structurales mènent à des changements importants, à titre d'exemple à un déplacement du maximum de la bande de luminescence de 60 cm-1/ kbar vers les faibles énergies pour un des complexes de l'or(I) étudiés au cours de ce projet.

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.

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.

Studies on the Synthesis and Transformations of a Few 2(3H)- and 3(2H)-Furanones

The thesis entitled studies on the synthesis and transformations of a few 2(3H)- and 3(2H)- furanones. Furanones represent an interesting class of heterocyclic compounds, which constitute the central ring system of many natural products. The derivatives of furan is divided, depending on their structure 2(3H)-furanones(I), 2(5H)-furanones(II), and 3(2H)-furanones(III). Systems I&II are unsatured gama lactones known as ‘butenolides’. Compounds of this type also known as ‘crotonolactones’ based on the parent crotonic acid. In conclusion a number of 2(3H)-and 3(2H)- furanones were synthesized from dibenzoylalkene precursors and were characterized on the basis of spectral analytical and X-ray data. On direct irradiation 3,3-bis(4-chloropheneyl)-5-aryl-3H-furan -2-ones underwent decarbonylation to yield the corresponding alpha, beta- unsaturated carbonyl compounds and upon sensitized irradiation they underwent dimersation arising through a 2+2 cycloaddition reaction. Our studies on 3(2H)-furanones revealed that these compounds are thermally stable, while they undergo extensive decomposition to intractable mixtures under the influence of light. Similarly, the novel dibenzoylalkenes- type systems containing hetroatomatic rings synthesized by us also underwent extensive decomposition under the influence of heat. Some of the 3(2H)-furanones synthesized by us exhibit remarkable anti-proliferative activity.

Metamorphism and Fluid Inclusion Studies of Charnockites and Associated Rocks from the Madurai Granulite Block , Southern India with Special Reference to Graphite Mineralization

The present research is aimed at studying the charnockites and associated rocks of the Madurai Granulite Block (MGB), especially in terms of their field settings, texture, mineralogy, and mineral chemistry analyzing their petrogenesis with the help of thermobarometrical studies and geochronological constraints. The mechanism of charnockitization by the influx of CO2 rich fluids and its relation to the graphite mineralization is actually a matter of discussion and study. The objectives of the present study are, to delineate petrological and structural relationship of charnockites and associated gneissic rocks, to study the field and petrogenetic aspects of graphite mineralization in the MGB, to establish and re-evaluate the P-T conditions of formation of the rocks with the aid of thermbarometric computations and to compare with the earlier studies, characterization of graphite with XRD, Raman spectroscopy and isotope studies together with a search in to its genesis and its relation to the high-grade metamorphism of the terrain, to evaluate the role of CO2 bearing fluids in the processes of charnockitization as well as in the genesis of graphite within the high-grade terrain and to delineate the metamorphic geochronology of selected rocks using ‘monazite dating’ technique with EPMA.

Tunable diode Laser Absorption Spectroscopy ,Nir Overtone and Life Studies of Some Organic Compound

The present work is mainly concentrated on setting up a NIR tunable diode laser absorption (TDLA) spectrometer for high-resolution molecular spectroscopic studies. For successfully recording the high-resolution tunable diode laser spectrum, various experimental considerations are to be taken into account like the setup should be free from mechanical vibrations, sample should be kept at a low pressure, laser should be in a single mode operation etc. The present experimental set up considers all these factors. It is to be mentioned here that the setting up of a high resolution NIR TDLA spectrometer is a novel experiment requiring much effort and patience. The analysis of near infrared (NIR) vibrational overtone spectra of some substituted benzene compounds using local mode model forms another part of the present work. An attempt is made to record the pulsed laser induced fluorescence/Raman spectra of some organic compounds. A Q-switched Nd:YAG laser is used as the excitation source. A TRIAX monochromator and CCD detector is used for the spectral recording. The observed fluorescence emission for carbon disulphide is centered at 680 nm; this is assigned as due to the n, p* transition. Aniline also shows a broad fluorescence emission centered at 725 nm, which is due to the p,p* transition. The pulsed laser Raman spectra of some organic compounds are also recorded using the same experimental setup. The calibration of the set up is done using the laser Raman spectra of carbon tetrachloride and carbon disulphide. The observed laser Raman spectra for aniline, o-chloroaniline and m-chlorotoluene show peaks characteristics of the aromatic ring in common and the characteristics peaks due to the substitutuent groups. Some new peaks corresponding to low-lying vibrations of these molecules are also assigned