L'électronique classique utilise des matériaux minéraux, notamment le silicium. Aujourd'hui s'élabore une alternative basée sur les matériaux organiques semi-conducteurs à base de carbone. Cette nouvelle voie permet de développer à couts modérés  des composants qui peuvent être flexibles à température ambiante. De nombreuses applications technologiques sont déjà basées sur ce type de matériaux, comme les écrans numériques, de smartphones notamment. Un des challenges actuels est de développer des techniques et méthodes pour non seulement fabriquer des films organiques de haute cristallinité, de façon simple et rapide, mais aussi pour parvenir à influencer sélectivement la position et la conformation des molécules à l’intérieur des films, afin de pouvoir contrôler la structure interne et par là même leurs propriétés électroniques intrinsèques. La conformation des molécules et leur arrangement sont les paramètres clés gouvernant les propriétés électroniques macroscopiques de la couche organique. Ces informations sont essentielles pour réaliser des films organiques avec les propriétés électroniques désirées pour des applications spécifiques (modules photovoltaïques organiques souples, écrans minces enroulables, …).

Pour fabriquer des films organiques par auto-assemblage, nous avons sélectionné un design de bloc moléculaire spécifique. Ce bloc est composé de deux groupes terpyridines séparés par un bloc central (voir Fig.1). Les terpyridines ont été sélectionnées pour leur capacité à former des liaisons hydrogènes (N∙∙ H-C) entre elles et ainsi gouverner l’auto-assemblage des molécules. La partie centrale (spacer) quant à elle doit supporter la fonctionnalité des molécules.

Nous avons étudié par microscopie à effet tunnel (STM) l’auto-assemblage de deux blocs moléculaires ayant chacun deux terpyridines et un bloc central différent : un benzène (molécule 1) ou un quaterthiophène (molécule 2). Les images STM montrent que les deux composants forment des arrangements bidimensionnels sur une surface plane de graphite. Cependant la molécule 1 forme un arrangement compact (Fig. 2) tandis que la molécule 2 forme un arrangement poreux (Fig. 3). Nos calculs numériques DFTB+ (Density Functional Tight Binding) montrent que la conformation « droite » de la molécule 2 (Fig.1, droite) est la structure de moindre énergie, lorsque la molécule est déposée seule sur un substrat de graphite. Cependant les images STM révèlent de façon surprenante que le spacer quaterthiophene de la molécule 2 n’adopte pas une structure droite « I » dans le film organique mais une conformation en forme de « S ». Celle-ci résulte d’une compétition entre les interactions molécules-molécules et molécules-substrat qui conduit au final les molécules 2 à s’arranger en « S » dans une structure poreuse.

Ces travaux montrent que l’emploi de blocs organiques avec groupes terpyridines permet de générer par auto-assemblage des films organiques bidimensionnels de structures différentes sur des surfaces. Ces structures peuvent être à la fois compactes et poreuses. Par ailleurs, la conformation du spacer quaterthiophene peut drastiquement modifier les propriétés électroniques intrinsèques du film. En contrôlant les propriétés d’assemblage des molécules, il devrait être possible de stabiliser la structure des groupes quaterthiophene dans différentes conformations. Ainsi, l’on devrait pouvoir varier les propriétés électroniques des films (bande de valence et bande de conduction) pour les exploiter dans des applications dédiées en électronique organique. Par ailleurs, les groupes terpyridines étant de puissants capteurs de métaux, les films réalisés avec ces composés peuvent trouver des applications pour le recyclage de métaux.