Une équipe de recherche interdisciplinaire du LMU, de l’Université technique de Munich (TUM) et de l’Université d’Oxford a utilisé de nouvelles techniques spectroscopiques pour étudier la diffusion d’états excités dans des cadres organiques covalents (COF).
Ces matériaux modulaires peuvent être adaptés aux propriétés souhaitées grâce à la sélection ciblée de leurs composants, offrant ainsi une large gamme d’applications. L’étude a révélé l’efficacité avec laquelle l’énergie peut être transportée dans ces matériaux semi-conducteurs cristallins, une avancée décisive pour les futures applications optoélectroniques telles que les systèmes photovoltaïques durables et les diodes électroluminescentes organiques (OLED).
Au cœur de l’étude, publié dans le Journal de l’American Chemical Societysont des films minces COF constitués d’un matériau poreux hautement cristallin. Grâce à l’utilisation de techniques spatio-temporelles de pointe telles que la microscopie à photoluminescence et la spectroscopie térahertz, en conjonction avec des simulations théoriques, l’équipe a révélé des coefficients de diffusion remarquablement élevés et des longueurs de diffusion de plusieurs centaines de nanomètres.
« En tant que tels, ces films minces dépassent considérablement les capacités connues de transport d’énergie de matériaux organiques similaires », déclare Laura Spies, doctorante à la Chaire de chimie physique et de nanomatériaux fonctionnels du LMU et co-auteur principal.
« Le transport d’énergie fonctionne exceptionnellement bien, même à travers des défauts structurels tels que les joints de grains », ajoute le Dr Alexander Biewald, ancien doctorant dans le groupe de chimie physique et nanooptique et deuxième co-auteur principal de l’étude.
De nouvelles perspectives pour le développement de matériaux organiques durables
Les analyses de température ont permis de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents. « Les résultats indiquent que des processus de transport à la fois cohérents et incohérents sont en jeu », explique le professeur Frank Ortmann, co-auteur de l’étude.
La cohérence existe lorsque les vagues de mouvement se produisent de manière ordonnée, sans perturbation sur de longues distances, permettant un transfert d’énergie rapide et sans perte. Les processus incohérents, en revanche, sont caractérisés par des mouvements désordonnés et aléatoires, qui nécessitent une activation thermique et sont souvent moins efficaces.
Ces connaissances contribuent de manière significative à notre compréhension du transport d’énergie dans les COF et montrent comment la structure moléculaire et l’organisation du cristal peuvent affecter ces processus.
« Notre travail met en évidence à quel point la coopération interdisciplinaire et internationale de chercheurs possédant une expertise en synthèse, analyse expérimentale et modélisation théorique, rendue possible par la conversion électronique, est vitale pour le succès de telles études », déclarent les auteurs correspondants de l’étude, le professeur Achim Hartschuh et le professeur Thomas Bein.
Les résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour le développement de matériaux organiques durables en photocatalyse et en optoélectronique, comme le photovoltaïque.
Plus d’informations :
Laura Spies et al, Spectroscopie spatio-temporelle de diffusion rapide à états excités dans des couches minces à cadre organique covalent 2D, Journal de l’American Chemical Society (2025). DOI : 10.1021/jacs.4c13129