Modélisation des relations structure / propriétés de transport de charge dans les matériaux pour l'électronique organique

Les avancees technologiques et l'integration massive de dispositifs electroniques nanometriques dans les objets de notre vie quotidienne ont genere une explosion des couts de R&D, de conception et de production, ainsi que des inquietudes societales quant a l'impact environnemental des dechets electroniques. En raison de procedes de production moins couteux et a faible impact environnemental, de leur souplesse d’utilisation et de la possibilite de moduler leurs proprietes a l’infini, les molecules et polymeres organiques constituent une classe de materiaux prometteuse pour la mise au point de nouveaux dispositifs electroniques. L’electronique organique couvre ainsi un vaste domaine d’applications, parmi lesquelles se trouvent les diodes electroluminescentes, les transistors a effet de champ ou les cellules photovoltaiques. Bien que la plupart de ces dispositifs soient deja commercialises, les processus gouvernant leur efficacite a l’echelle atomique sont loin d’etre entierement compris et maitrises. C’est en particulier le cas des processus de transport de charge, qui interviennent dans tous ces dispositifs.L'objectif de cette these est d’apporter une comprehension fondamentale des processus de transport de charge dans les semiconducteurs organiques, a partir d'approches theoriques combinant dynamique moleculaire, calculs quantiques et simulations Monte Carlo. Ce travail est developpe suivant trois axes principaux:(I) Etude des relations liant l'organisation structurale et les proprietes de transport de cristaux moleculaires, et du role des fluctuations energetiques dans des materiaux polymeres amorphes. Des simulations Monte Carlo Cinetique (KMC) couples au formalisme de Marcus-Levich-Jortner pour le calcul des taux de transfert ont ete effectues afin de determiner les mobilites des electrons et des trous au sein de dix structures cristallines de derives phtalocyanines. Dans une deuxieme etude, une approche similaire a ete employee afin de decrire les proprietes de transport de charge au sein d'un copolymere amorphe de fluorene-triphenylamine, ainsi que l'impact des fluctuations energetiques sur ces dernieres. La methodologie developpee permet d'obtenir, pour un faible cout calculatoire, une estimation semi-quantitative des mobilites des porteurs de charge dans ce type de systeme.(II) Etude de l'impact de contraintes mecaniques sur les proprietes de transport de materiaux organiques cristallins. La reponse electronique et les proprietes de transport de materiaux organiques soumis a une contrainte mecanique ont ete etudies a l'aide de simulations de dynamique moleculaire et de calculs DFT. Le rubrene cristallin et ses polymorphes, ainsi que les derives du BTBT, ont ete consideres pour cette etude, qui revele un couplage electromecanique inhabituel entre les differents axes cristallographiques. Les resultats demontrent en particulier que l'anisotropie structurale des monocristaux organiques conduit a une anisotropie du couplage electromecanique.(III) Etude du role du polyelectrolyte dans la conductivite des complexes conducteurs. Le polystyrene substitue par du bis(sulfonyl)imide est utilise comme un contre-ion et un dopant dans les complexes conducteurs PEDOT-polyelectrolytes. En complement des analyses experimentales, des simulations de dynamique moleculaire couplees a des calculs DFT ont ete effectuees dans ces systemes afin d'analyser l'impact de la conformation et de l'etat de protonation du polyelectrolyte sur la conductivite du complexe forme avec le PEDOT.Les etudes decrites ci-dessus, realisees sur differents types de materiaux en couplant differents types d'approches theoriques, ont permis d'apporter une comprehension fondamentale des proprietes de transport dans les semiconducteurs organiques. Elles mettent en particulier en evidence l'impact de l'organisation structurale, des interactions intermoleculaires et de l'application de contraintes mecaniques sur la mobilite des porteurs de charges dans ces materiaux.