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.

Micropatterning of polymeric semiconductor by selective lift-off method using epoxy mold

A simple and efficient method for patterning polymeric semiconductors for applications in the field of organic electronics is proposed. The entire polymer layer, except for the desired pattern, is selectively lifted off from a flat poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamp surface by an epoxy mold with a relief pattern. This is advantageous because the elastic deformation of the PDMS stamp around protrusions of a patterned stamp under pressure can assist the plastic deformation of a polymer film along the pattern edges, yielding large area and high quality patterns, and the PDMS surface has low surface energy, which allows the easy removal of the polymer film.

One-dimensional polyelectrolyte/polymeric semiconductor core/shell structure : sulfonated poly(arylene ether ketone)/polyaniline nanofibers for organic field-effect transistors

A polyelectrolyte/polymeric semiconductor core/shell structure is developed for organic field-effect transistors (OFETs) based on sulfonated poly(arylene ether ketone)/polyaniline core/shell nanofibers via electrospinning and solution-phase selective polymerization. The polyelectrolyte does not work as a gate dielectric, but can provide an internal modulation from the nanointerface of the 1D core/shell nanostructure. The transistor devices display very high mobilities.

Logic-gate devices based on printed polymer semiconducting nanostripes

The applications of organic semiconductors in complex circuitry such as printed CMOS-like logic circuits demand miniaturization of the active structures to the submicrometric and nanoscale level while enhancing or at least preserving the charge transport properties upon processing. Here, we addressed this issue by using a wet lithographic technique, which exploits and enhances the molecular order in polymers by spatial confinement, to fabricate ambipolar organic field effect transistors and inverter circuits based on nanostructured single component ambipolar polymeric semiconductor. In our devices, the current flows through a precisely defined array of nanostripes made of a highly ordered diketopyrrolopyrrole-benzothiadiazole copolymer with high charge carrier mobility (1.45 cm2 V-1 s-1 for electrons and 0.70 cm2 V-1 s-1 for holes). Finally, we demonstrated the functionality of the ambipolar nanostripe transistors by assembling them into an inverter circuit that exhibits a gain (105) comparable to inverters based on single crystal semiconductors.

High mobility diketopyrrolopyrrole (DPP)-based organic semiconductor materials for organic thin film transistors and photovoltaics

In recent years, the electron-accepting diketopyrrolopyrrole (DPP) moiety has been receiving considerable attention for constructing donor-acceptor (D-A) type organic semiconductors for a variety of applications, particularly for organic thin film transistors (OTFTs) and organic photovoltaics (OPVs). Through association of the DPP unit with appropriate electron donating building blocks, the resulting D-A molecules interact strongly in the solid state through intermolecular D-A and π-π interactions, leading to highly ordered structures at the molecular and microscopic levels. The closely packed molecules and crystalline domains are beneficial for intermolecular and interdomain (or intergranular) charge transport. Furthermore, the energy levels can be readily adjusted, affording p-type, n-type, or ambipolar organic semiconductors with highly efficient charge transport properties in OTFTs. In the past few years, a number of DPP-based small molecular and polymeric semiconductors have been reported to show mobility close to or greater than 1 cm2 V -1 s-1. DPP-based polymer semiconductors have achieved record high mobility values for p-type (hole mobility: 10.5 cm2 V-1 s-1), n-type (electron mobility: 3 cm2 V-1 s-1), and ambipolar (hole/electron mobilities: 1.18/1.86 cm2 V-1 s-1) OTFTs among the known polymer semiconductors. Many DPP-based organic semiconductors have favourable energy levels and band gaps along with high hole mobility, which enable them as promising donor materials for OPVs. Power conversion efficiencies (PCE) of up to 6.05% were achieved for OPVs using DPP-based polymers, demonstrating their potential usefulness for the organic solar cell technology. This article provides an overview of the recent exciting progress made in DPP-containing polymers and small molecules that have shown high charge carrier mobility, around 0.1 cm2 V-1 s-1 or greater. It focuses on the structural design, optoelectronic properties, molecular organization, morphology, as well as performances in OTFTs and OPVs of these high mobility DPP-based materials.

Effet de la microstructure sur les propriétés excitoniques des polymères semi-conducteurs semi-cristallins

Les polymères semi-conducteurs semicristallins sont utilisés au sein de diodes électroluminescentes, transistors ou dispositifs photovoltaïques organiques. Ces matériaux peuvent être traités à partir de solutions ou directement à partir de leur état solide et forment des agrégats moléculaires dont la morphologie dicte en grande partie leurs propriétés optoélectroniques. Le poly(3-hexylthiophène) est un des polymères semi-conducteurs les plus étudiés. Lorsque le poids moléculaire (Mw) des chaînes est inférieur à 50 kg/mol, la microstructure est polycristalline et composée de chaînes formant des empilements-π. Lorsque Mw>50 kg/mol, la morphologie est semicristalline et composée de domaines cristallins imbriquées dans une matrice de chaînes amorphes. À partir de techniques de spectroscopie en continu et ultrarapide et appuyé de modèles théoriques, nous démontrons que la cohérence spatiale des excitons dans ce matériau est légèrement anisotrope et dépend de Mw. Ceci nous permet d’approfondir la compréhension de la relation intime entre le couplage inter et intramoléculaire sur la forme spectrale en absorption et photoluminescence. De plus, nous démontrons que les excitations photogénérées directement aux interfaces entre les domaines cristallins et les régions amorphes génèrent des paires de polarons liés qui se recombinent par effet tunnel sur des échelles de temps supérieures à 10ns. Le taux de photoluminescence à long temps de vie provenant de ces paires de charges dépend aussi de Mw et varie entre ∼10% et ∼40% pour les faibles et hauts poids moléculaires respectivement. Nous fournissons un modèle permettant d’expliquer le processus de photogénération des paires de polarons et nous élucidons le rôle de la microstructure sur la dynamique de séparation et recombinaison de ces espèces.

Synthesis and structure of new low dimensional polymeric haloplumbate(II) complexes [Pb4Br12(C40H40N8)] and [Pb4Cl12(C40H40N8)]center dot H2O

New low dimensional polymeric haloplumbate(II) complexes of the dication of (4,4'-bis(imidazolyl-ylmethyl)biphenyl) were synthesised and their crystal structures determined. Complex 1, [Pb4Br12(C40H40N8)], has cis-edge-shared, octahedral, lead bromide double chains. In compound 2 [Pb4Cl12(C40H40N8)]center dot H2O, the inorganic chains are corner-shared, square pyramidal chains of lead chloride. In both compounds the organic ammoniums form regular layers that alternate with the inorganic chains.

Sulfonated poly(ether ether ketone)/polypyrrole core–shell nanofibers : a novel polymeric adsorbent/conducting polymer nanostructures for ultrasensitive gas sensors

Conducting polymers-based gas sensors have attracted increasing research attention these years. The introduction of inorganic sensitizers (noble metals or inorganic semiconductors) within the conducting polymers-based gas sensors has been regarded as the generally effective route for further enhanced sensors. Here we demonstrate a novel route for highly-efficient conducting polymers-based gas sensors by introduction of polymeric sensitizers (polymeric adsorbent) within the conducting polymeric nanostructures to form onedimensional polymeric adsorbent/conducting polymer core−shell nanocomposites, via electrospinning and solution-phase polymerization. The adsorption effect of the SPEEK toward NH3 can facilitate the mass diffusion of NH3 through the PPy layers, resulting in the enhanced sensing signals. On the basis of the SPEEK/PPy nanofibers, the sensors exhibit large gas responses, even when exposed to very low concentration of NH3 (20 ppb) at room temperature.

Structural analysis of polymeric scaffolds by Micro-CT

The use of porous structures as tissue engineering scaffolds imposes demands on structural parameters such as porosity, pore size and interconnectivity. For the structural analysis of porous scaffolds, micro-computed tomography (μCT) is an ideal tool. μCT is a 3D X-ray imaging method that has several advantages over scanning electron microscopy (SEM) and other conventional characterisation techniques: • visualisation in 3D • quantitative results • non-destructiveness • minimal sample preparation

meso-Porphyrinylphosphine Oxides: Mono- and Bidentate Ligands for Supramolecular Chemistry and the Crystal Structures of Monomeric [10,20-Diphenylporphyrinatonickel(II)-5,15-diyl]-bis-[P(O)Ph2] and Polymeric Self-Coordinated ([10,20-Diphenylporphyrinatozinc(II)-5,15-diyl]-bis-[P(O)Ph2])

A series of porphyrins substituted in one or two meso-positions by diphenylphosphine oxide groups has been prepared by the palladium catalysed reaction of diphenylphosphine or its oxide with the corresponding bromoporphyrins. Compounds {MDPP-[P(O)Ph2]n} (M = H2, Ni, Zn; H2DPP = 5,15-diphenylporphyrin; n = 1, 2) were isolated in yields of 60-95%. The reaction is believed to proceed via the conventional oxidative addition, phosphination and reductive elimination steps, as the stoichiometric reaction of η1-palladio(II) porphyrin [PdBr(H2DPP)(dppe)] (H2DPP = 5,15-diphenylporphyrin; dppe = 1,2-bis(diphenylphosphino)ethane) with diphenylphosphine oxide also results in the desired mono-porphyrinylphosphine oxide [H2DPP-P(O)Ph2]. Attempts to isolate the tertiary phosphines failed due to their extreme air-sensitivity. Variable temperature 1H NMR studies of [H2DPP-P(O)Ph2] revealed an intrinsic lack of symmetry, while fluorescence spectroscopy showed that the phosphine oxide group does not behave as a "heavy atom" quencher. The electron withdrawing effect of the phosphine oxide group was confirmed by voltammetry. The ligands were characterised by multinuclear NMR and UV-visible spectroscopy as well as mass spectrometry. Single crystal X-ray crystallography showed that the bis(phosphine oxide) nickel(II) complex {[NiDPP-[P(O)Ph2]2} is monomeric in the solid state, with a ruffled porphyrin core and the two P=O fragments on the same side of the average plane of the molecule. On the other hand, the corresponding zinc(II) complex formed infinite chains through coordination of one Ph2PO substituent to the neighbouring zinc porphyrin through an almost linear P=O---Zn unit, leaving the other Ph2PO group facing into a parallel channel filled with disordered water molecules. These new phosphine oxides are attractive ligands for supramolecular porphyrin chemistry.

Electrospraying a reproducible method for production of polymeric microspheres for biomedical applications

The ability to reproducibly load bioactive molecules into polymeric microspheres is a challenge. Traditional microsphere fabrication methods typically provide inhomogeneous release profiles and suffer from lack of batch to batch reproducibility, hindering their potential to up-scale and their translation to the clinic. This deficit in homogeneity is in part attributed to broad size distributions and variability in the morphology of particles. It is thus desirable to control morphology and size of non-loaded particles in the first instance, in preparation for obtaining desired release profiles of loaded particles in the later stage. This is achieved by identifying the key parameters involved in particle production and understanding how adapting these parameters affects the final characteristics of particles. In this study, electrospraying was presented as a promising technique for generating reproducible particles made of polycaprolactone, a biodegradable, FDA-approved polymer. Narrow size distributions were obtained by the control of electrospraying flow rate and polymer concentration, with average particle sizes ranging from 10 to 20 um. Particles were shown to be spherical with a homogenous embossed texture, determined by the polymer entanglement regime taking place during electrospraying. No toxic residue was detected by this process based on preliminary cell work using DNA quantification assays, validating this method as suitable for further loading of bioactive components.

Drug diffusion from polymeric delivery devices : a problem with two moving boundaries

An existing model for solvent penetration and drug release from a spherically-shaped polymeric drug delivery device is revisited. The model has two moving boundaries, one that describes the interface between the glassy and rubbery states of polymer, and another that defines the interface between the polymer ball and the pool of solvent. The model is extended so that the nonlinear diffusion coefficient of drug explicitly depends on the concentration of solvent, and the resulting equations are solved numerically using a front-fixing transformation together with a finite difference spatial discretisation and the method of lines. We present evidence that our scheme is much more accurate than a previous scheme. Asymptotic results in the small-time limit are presented, which show how the use of a kinetic law as a boundary condition on the innermost moving boundary dictates qualitative behaviour, the scalings being very different to the similar moving boundary problem that arises from modelling the melting of an ice ball. The implication is that the model considered here exhibits what is referred to as ``non-Fickian'' or Case II diffusion which, together with the initially constant rate of drug release, has certain appeal from a pharmaceutical perspective.