Etude Hartree-Fock et DFT des propriétés électroniques et d’optique non-linéaire de la 2-styrylquinoléine fonctionnalisée au Méthacrylate de Méthyle

Abstract

Dans cette thèse, nous réalisons des calculs de mécanique quantique au moyen de la méthode de Hartree-Fock et de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Pour la DFT, les trois fonctionnelles d’échange-corrélation : B3LYP, B3PW91 et WB97XD sont choisies et implementées. Nos investigations portent en premier lieu sur le calcul des propriétés électroniques et d’optique nonlinéaire, et en sécond lieu sur les propriétés spectroscopiques (Raman, IR, UV et visible), optoélectroniques, thermodynamiques et structurales de 7 composés de la famille des styrylquinoléines. Il s’agit des chromophores de 2-styrylquinoléine (M01) et de 2-(3- nitrostyryl)quinoléine (M02) qui a l’issue de leur fonctionnalisation au MMA donnent respectivement naissance à deux nouveaux chromophores à savoirs le 2-(2-Phényléthényl)quinoléine-8-yl 2- méthylpropil-2-énoate (M1) et le 2-[2-(4-nitrophényl) éthényl]quinoléine-8-yl 2-méthylpropil-2- énoate (M2). Le dopage au potassium du matériau M1 avec un et deux atomes de potassium permettra d’obtenir deux nouveaux monomères (M3 et M4) tandis que l’insertion d’un potassium dans M2 permettra de concevoir le monomère M5. La problématique globale des travaux repose sur la détermination des propriétés intrinsèques de ces 7 chromophores et la mise en évidence des apports de la fonctionnalisation et du dopage sur les propriétés des matériaux. Au plan électronique nous avons obtenu avec la B3LYP des énergies de gap de 3,920 eV et 3,527 eV pour les molécules de M01 et de M02 respectivement, ce qui permet de conclure qu’il s’agit de semiconducteurs. Après fonctionnalisation nous avons obtenus 3,807 eV et 3,408 eV pour M1 et M2 respectivement, soit de légères diminutions qui conduisent à la conservation du caractère sémiconducteur avec amélioration de celui-ci. Dans les monomères issus du dopage nous avons obtenus des énergies de gap de 2,89 eV pour M3 ; 2,644 eV pour M4 et 2,573 eV pour M5, c’est à dire de fortes réductions de l’ordre de 1eV qui montrent que nous avons obtenus de meilleurs semiconducteurs organiques par dopage. Les 2- styrylquinoléines se montrent dès lors sensibles et favorables au dopage de type n qui consiste à transférer des électrons dans le système tout en réduisant la largeur de la bande interdite suite à l’action du métal alcalin. Du point de vue de la réactivité et de la stabilité, la détermination des descripteurs globaux montre que toutes ces molécules sont stables et peuvent se prêter à des réactions chimiques avec d’autres composés. Nous observons que la capacité à céder des électrons passe de 3,372 eV(M01) à 3,25 eV(M1) après fonctionnalisation et décroit jusqu’à 2,66 eV(M3) et 2,27 eV(M4) après dopage. Ces diminutions sont cohérentes avec la baisse des largeurs des bandes interdites enregistrée et cela traduit l’existence d’un transfert de charges intramoléculaire significatif consequent à la fonctionnalisation et au dopage. Au plan optique, l’hyperpolarisabilité de premier ordre β et de second ordre γ nous donne respectivement à travers la fonctionnelle WB97XD des valeurs de 15,96710-30 esu et 138,26910-36 esu pour le matériau de base M01, et après la fonctionnalisation on obtient 32,72510-30 esu pour β et 321,19010-36 esu pour le matériau M1. Ces valeurs en forte hausse traduisent non seulement la conservation du bon comportement optique tel que souhaité dans les monomères formés mais aussi une amélioration significative de cette caractéristique. La présence d’un injecteur d’électrons dans les bandes électroniques va engendrer des croissances encore plus fortes traduites par des valeurs de 112,21410-30 pour β et 1318,86310-36 pour γ dans le système dopé M3. En définitive, il ressort que la fonctionnalisation et le dopage de type n sont de bonnes approches en vue d’améliorer les caracteristiques électroniques et optiques des chromophores de 2-styrylquinoléine. En effet, les propriétés des 7 matériaux étudiés ici montrent que ceux-ci sont thermodynamiquement stables, et pourraient constituer de potentiels candidats à des applications diverses telles que : la génération de la 2nd et 3e harmonique, les OLEDs, les PLEDs et les commutateurs optiques.