Ingénierie moléculaire de l'état triplet de semi-conducteurs organiques bipolaires : Vers de nouveaux designs moléculaires – Men in blue

Ce projet traite du design moléculaire de nouveaux matériaux hôtes pour des Diodes Organiques Électroluminescentes Phosphorescentes (PhOLED) bleues. Le design de ces matériaux, pierre angulaire de ce projet, apparaît prometteur et sans précédent. Réduire la facture énergétique est un enjeu majeur et de nouvelles sources de lumière blanche sont donc nécessaires pour l'éclairage. Les OLEDs offrent une alternative, mais ne sont pas encore suffisamment efficaces et stables pour pouvoir remplacer l’éclairage actuel. Une des raisons est liée au manque d'OLEDs bleues très performantes et surtout stables dans le temps. Ainsi, d'un point de vue fondamental, le contrôle de la migration de l'exciton au sein de matériaux pi-conjugués, cœur de l'Électronique Organique (EO), est d'un intérêt majeur dans toutes ces technologies émergentes 'souples' que sont les OLEDs ou les cellules solaires. Ces dernières années, de nombreuses familles de semi-conducteurs organiques (SCO) ont été étudiées pour l'EO avec comme but ultime le contrôle des propriétés (contrôle des niveaux HOMO/LUMO, de la conjugaison pi, des transferts d'énergie intra et intermoléculaires…). Ainsi, les SCOs bipolaires, c'est-à-dire qui peuvent transporter les deux types de charges (trous et électrons) nécessaires au fonctionnement d'une OLED, tiennent, en EO, une place toute particulière. Si ces SCOs bipolaires possèdent en plus un haut niveau d'énergie de l'état triplet ET (>2.75 eV), alors ils deviennent idéaux pour être utilisés comme matériaux hôtes dans des PhOLEDs bleues. En effet, dans une PhOLED, la couche émissive est constituée d'un émetteur phosphorescent dispersé dans une matrice organique hôte afin d'éviter l'annihilation des états Triplet qui entraîne une baisse dramatique des performances de l'OLED. Cependant, le défaut principal des matériaux hôtes bipolaires est la compression de leur écart HOMO/LUMO due à des transferts de charges intramoléculaires et à une extension de la conjugaison. Cela conduit à un abaissement du niveau d'énergie de l'état Singulet Es et de l'état Triplet ET conduisant, dans l'OLED, à des transferts d'énergie parasites néfastes. Ainsi, combiner des propriétés bipolaires et un haut ET est un véritable défi. Ce défi devient encore plus grand lorsque l'on doit, en plus, y ajouter des propriétés physiques telle qu'une haute stabilité thermique et morphologique, condition indispensable pour des OLEDs stables. Combiner ces 3 propriétés au sein d'un SCO requiert donc un design moléculaire précis que l'on peut obtenir uniquement à travers un contrôle parfait de toutes les interactions (physiques/électroniques, intra/intermoléculaires), se produisant dans le SCO. D'un point de vue théorique, il existe même une antinomie dans le cumul de ces 3 propriétés et c'est à cette antinomie que nous souhaitons nous confronter en synthétisant de nouvelles générations de SCOs bipolaires, à haut ET, possédant d'excellentes propriétés thermiques et morphologiques. L'incorporation de ces SCOs comme hôtes dans des PhOLEDs bleues sera la finalité technologique de cette approche fondamentale.
Ce projet a donc pour objectif la synthèse, l'étude et l'application en PhOLED de 12 OSCs constitués:
-d'une unité Fluorène, substituée en position ortho par des transporteurs de trous ou d'électrons. La position ortho conduit à une rupture de conjugaison partielle qui permet de maintenir un haut ET tout en ajustant les niveaux d'énergie HOMO/LUMO,
-Une unité Diazafluorène, Thio- ou Dioxothio-xanthène pour obtenir d'excellentes propriétés de transport,
-Un pont spiro afin (i) de partiellement interrompre la conjugaison entre les systèmes pi, évitant ainsi une chute du ET, tout en séparant les transporteurs de charges, (ii) d'obtenir une haute stabilité thermique et morphologique,

Ce design original basé sur une double rupture de conjugaison pourrait ouvrir la voie au développement de PhOLEDs bleues stables et très performantes, dernière étape pour l’avènement de l'éclairage blanc.