Les molécules organiques, lorsqu’elles s’assemblent en phase condensée, acquièrent des propriétés optiques bien distinctes de celles observées en solution. Ces changements sont liés à l’apparition d’interactions intermoléculaires qui modifient les niveaux d’énergie électroniques. Parmi ces molécules, les molécules de pérylènediimide (PDI) sont particulièrement étudiées en raison de leur absorption dans le visible, de leur haute photostabilité et de leur potentiel pour de nombreuses applications en photonique. L’organisation spatiale des molécules au sein d’un matériau joue un rôle crucial dans la détermination de ses propriétés optiques. Pour les PDI, l’orientation des molécules par rapport à un substrat et la distance qui les sépare sont des paramètres clés à contrôler.
Afin d’étudier l’influence de l’organisation moléculaire sur les propriétés optiques des PDI, nous avons élaboré des monocouches de ces molécules sur un substrat de verre en utilisant la technique de Langmuir-Blodgett. Cette méthode permet de déposer une couche monomoléculaire de molécules à la surface de l’eau, puis de transférer cette monocouche sur un support solide, ici du verre. Les molécules ainsi transférées peuvent présenter trois orientations : “à plat”, “edge-on” ou “head-on” comme présenté en Figure 1.a
La question de l’orientation des molécules au sein de la monocouche est fondamentale pour comprendre leurs propriétés. Pour y répondre, nous avons combiné différentes techniques optiques.
- La Micro-absorption: cette technique a révélé la présence d’une bande d’absorption caractéristique d’une forte interaction π-π entre les molécules, suggérant une forte interaction entre les molécules éliminant l’organisation à plat.
- La Photoluminescence: la comparaison du motif de photoluminescence obtenu (Figure 1.b) pour cette monocouche à celui théorique (Figure 1.c) a permis de déterminer l’orientation préférentielle des molécules parallèlement à la surface, c’est-à-dire “edge-on”.
- La Polarisabilité: des mesures d’absorption en fonction de l’angle d’incidence ont confirmé cette orientation, en montrant une polarisabilité maximale dans la direction parallèle à la surface, confirmant l’orientation “edge-on” des molécules.
Les résultats obtenus montrent que l’orientation des molécules de PDI dans une monocouche a un impact significatif sur leurs propriétés optiques. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour la conception de matériaux photoniques aux propriétés ajustables, en jouant sur l’organisation moléculaire.
Figure 1. a) Orientations possibles des molécules de PDI sur verre. Motif de photoluminescence obtenu b) expérimentalement pour la monocouche de PDI et c) théorique pour un dipôle unique parallèle à la surface
N. Fabre, R. Trojanowicz, L. Moreaud, C. Fiorini-Debuisschert, S. Vassant, and F. Charra, Langmuir 2023 39 (50), 18252-18262, DOI: 10.1021/acs.langmuir.3c02038