Notre recherche se concentre autour de la modélisation des propriétés opto-électroniques et mécaniques des matériaux semiconducteurs organiques. La compréhension de ces propriétés permet d’établir un lien structure-propriété et des règles de design à l’échelle moléculaire permettant une amélioration des performances de ces matériaux.
Les matériaux p-conjugués organiques sont des matériaux semi-conducteurs. Cette propriété leur permet de conduire les électrons, d'absorber et d'émettre de la lumière. Ces propriétés ont contribué au développement d'une autre électronique, l'électronique organique, dont les principales applications sont les diodes électroluminescentes organiques (OLED), les cellules solaires organiques (OSC) et les transistors à effet de champ (OFET). Ces matériaux sont également utilisés dans des applications mécaniquement robustes permettant d'ouvrir la voie vers l'ère de l'électronique flexible.
Les propriétés de ces matériaux ne sont pas uniquement décrites par les propriétés des molécules isolées, mais dépendent largement de leurs propriétés dans les couches minces. En pratique, la conception de matériaux organiques conjugués aux propriétés améliorées nécessite une approche interdisciplinaire impliquant la synthèse de molécules et de polymères, la caractérisation de leurs propriétés en couches minces et la préparation de dispositifs. Avec le développement des centres de calcul de haute performance, la physique et la chimie computationnelles sont devenues des outils complémentaires aux expériences en sciences des matériaux. Les approches multi-échelles permettent de relier les échelles moléculaires et mésoscopiques en combinant les techniques de calcul suivantes :
- Chimie quantique (DFT ou ab initio) pour caractériser les propriétés électroniques et la conformation de petites molécules et de polymères conjugués.
- Dynamique moléculaire pour prédire l'organisation supramoléculaire des matériaux.
- Modèles cinétiques basés sur des équations de taux, modèles de structure électronique minimale pour calculer les propriétés optoélectroniques à la méso-échelle et simulations contrainte-déformation pour obtenir les propriétés mécaniques.
Au sein du LPS, nous appliquons ces méthodologies à des sujets associés aux matériaux organiques et avons développé un intérêt pour les thèmes de recherche suivants :
- Transport de charge dans les polymères conjugués. L'optimisation du transport de charge permet aux OFET d'effectuer plus d'opérations par unité de temps. [1]
- Étude des propriétés optiques de matériaux émetteurs de lumière présentant une fluorescence retardée activée thermiquement (TADF) ou une émission en doublet. Ces matériaux sont considérés comme les nouvelles générations d'émetteurs pour les OLED. [2]
- Étude des propriétés mécaniques des matériaux p-conjugués. Compréhension fondamentale de la relation entre les propriétés mécaniques des matériaux et leur organisation supramoléculaire. [3]
Promoteur (PI) : Yoann OLIVIER
Yoann Olivier, membre du LPS, est également affilié à l'Institut NISM (Pôle de recherche HPC-MM).
Sujets de thèse
- Optimisation de l’efficacité de l'extraction de lumière au sein des diodes électroluminescentes organiques : Structuration de la couche émettrice à l’échelle moléculaire.
- Modélisation de la fluorescence thermiquement activée retardée (TADF) de composés émetteurs de lumière pour des applications dans les diodes électroluminescentes.
- Modélisation des propriétés mécaniques et de transport de charge au sein de polymères conjugués.
- Etude théorique des propriétés optoélectroniques d’émetteurs de lumière pour des applications en information quantique.