3. Projets OERA financés

TITRE : "MultiscAle STructure/propERty relationship in MIxed (ionic/electronic) (macro)molecular coNDuctors: Towards new generation organic bioelectronics devices"

ACRONYME : MASTERMIND
Site web : à venir
Période : Octobre 2020-Avril 2024
Coordinateur : Dr. Sébastien Sanaur (IMT-MSE-CMP). E-mail: sanaur@emse.fr
Participants :
IMT-MSE-CMP : https://www.mines-stetienne.fr/en/
UMR5819-SyMMES : https://www.symmes.fr/en
UMR5250-LPICM : https://portail.polytechnique.edu/lpicm/en

Description du projet : MASTERMIND is a low TRL (1-3) Public Collaborative Research (PRC) multidisciplinary (chemistry, physics, nanosciences/technologies) exploratory project aiming at designing next generation of mixed (ionic/electronic) conductors beyond PEDOT:PSS for organic bioelectronics devices (OECTs). IMT-MSE, SyMMES & LPICM teams aim at elucidating what optimal (macro)molecular structure (M2Cs vs. M3Cs) of organic mixed ionic/electronic conductors (OMIECs) is best-suited for operating efficient ion-to-electron (hole) transduction. OECTs devices will be used as a platform to establish i) multiscale structure vs. property relationships and ii) (macro)molecular engineering rules in OMIECs in order to boost OECT performances for triggering the advent of low-cost flexible biosensor key-enabling technologies. Its core novelty is grounded to a multi-disciplinary combined top-down and bottom up methodology jointly devised by the internationally recognized IMT-MSE, SyMMES & LPICM teams uniting for the first time into a PRC project. The emphasis is to put onto structure/properties correlations within ionically and electronically conducting (macro)molecular p-conjugated architectures self-assembling into controlled morphologies across the nano to meso-scopic relevant length scales for OECT devices. Establishing key-enabling fundamental and exploratory knowledges will allow MASTERMIND to fuel innovations for the advent of next generations of organic bioelectronics devices to interface with the biological world.

TITRE : "Benzothioxanthene and derivatives: promising building blocks for organic electronics "

ACRONYME : BTXI-APOGEE
Site web : à venir
Période : Avril 2021 – Octobre 2024
Coordinateur : Dr. Clément Cabanetos (MOLTECH-Anjou)
Participants :
MOLTECH-Anjou, France : Philippe Blanchard, Olivier Alévêque, Eric Levillain
University of Kentucky, USA : Chad Risko
University of Ottawa, Canada : Benoit Lessard
Heliatek, Germany : Karsten Walzer
University of Calgary, Canada: Gregory Welch
Kaust, Saudi Arabia : Frédéric Laquai

Description du projet : L'électronique organique, véritable chimère il y a quelques décennies, est maintenant une réalité comme en témoignent l’apparition d’écrans à base de diodes électroluminescentes organiques, de capteurs organiques, de batteries ou même de cellules photovoltaïques organiques. L’avènement de ce domaine de recherche a ainsi conduit à la synthèse et à la caractérisation de diverses classes de semi-conducteurs organiques pi-conjugués. Parmi-eux, les rylènes, fonctionnalisés par une ou plusieurs fonctions imides, ont attiré une attention toute particulière en raison de leurs propriétés optiques, électroniques, redox et de transport de charge, en plus de leurs excellentes stabilités chimique, thermique et photochimique. Les naphtalène diimide (NDI) et pérylène diimide (PDI) peuvent être, sans équivoque, identifiés comme étant parmi les rylènes les plus étudiés pour la préparation, entre autres, de matériaux de type-n efficaces (transporteurs d’électrons). A contrario, le N-(alkyl) benzothioxanthène-3,4-dicarboximide (BTXI), un rylène-imide incorporant un atome de soufre au sein de son squelette p-conjugué, n'a pas connu de tel succès. Majoritairement exploité pour ses propriétés émissives, le BTXI a été de façon quasi exclusive fonctionnalisé par son atome d’azote pour des raisons pratiques de post-greffage et / ou de problèmes de solubilité. Dans ce contexte, le projet BTXI-APOGEE a pour objectif d’explorer différentes méthodologies de synthèse permettant de fonctionnaliser le cœur p-conjugué du BTXI, conduisant ainsi à la caractérisation de nouveaux dérivés moléculaires et macromoléculaires originaux qui seront finalement intégrés dans divers dispositifs tels que les OLED et les cellules solaires organiques.

TITRE : "Evolving electronic transport in molecules/nanoparticles networks "

ACRONYME : EVOLMONET
Site web : à venir
Période : Janvier 2021 - Décembre 2024
Coordinateur : Stéphane Lenfant, Dominique Vuillaume, David Guérin, Christophe Krzeminski (IEMN Lille)
Participants :
MOLTECH-Anjou, France : Philippe Blanchard, Lionel Sanguinet, Philippe Leriche, Clément Cabanetos, Sylvie Dabos-Seignon.

Description du projet :  Networks of molecularly functionalized nanoparticles (NPs) (called NMN : nanoparticle molecule network) have emerged as an interesting approach in molecular electronics to understand fundamental electron transport mechanisms, as well as to develop potential applications in electronics, sensing and computing circuits. NMNs with simple molecules (alkyl chains, short π-conjugated oligomers) were used to study metal-insulator transitions, plasmonic and co-tunneling for instance. NMNs were also demonstrated as useful and versatile platforms to study optically driven molecular switches and redox molecules leading to NMNs with memory and negative differential resistance behaviors. The long-term objective of EVOLMONET in the field of electronics and unconventional computing circuits is to use a network of self-assembled metallic nanoparticles connected by electrically switchable molecules to implement reconfigurable logic gates though genetic algorithms. In EVOLMONET, we will explore electron transport at high frequency and dynamics in NMNs made of Au NPs functionalized by various types of novel molecular building blocks, tailored to exhibit event-driven evolving functionalities. We will address three classes of molecules: i) optically driven switches; ii) THz activated switches and iii) ion molecular switches.

TITRE : "Générateurs thermoélectriques à base d’aérogels polymères utilisant la chaleur corporelle pour alimenter nos appareils portables"

ACRONYME : BODYTEG
Site web : https://anr.fr/Projet-ANR-19-CE06-0004
Période : Décembre 2019 (42 mois)
Coordinateur : Dr. Laure BINIEK (Institut Charles Sadron UPR CNRS 22)
Participants :
Institut Charles Sadron UPR CNRS 22.

Description du projet :  Et si on pouvait alimenter nos appareils mobiles, nos montres connectées et nos dispositifs médicaux par notre simple chaleur corporelle grâce à des dispositifs thermoélectriques légers, peu coûteux et flexibles? Le projet BODYTEG propose ainsi d’élaborer des aérogels de polymères conducteurs (APCs). Pour répondre à ce challenge, le projet est basé sur quatre objectifs principaux : i) élaborer des APCs de type p et n de morphologie contrôlée, ii) tirer parti de la porosité du réseau pour diminuer la conductivité thermique iii) maintenir de bonnes propriétés mécaniques et électriques, iv) corréler la structure de ces nouveaux APCs avec leurs propriétés électriques et thermiques. L’objectif de ce projet ambitieux de 42 mois est d’améliorer le facteur de mérite des générateurs thermoélectriques d’au moins un ordre de grandeur. Ces performances devraient permettre d’alimenter les capteurs portables utilisés pour le diagnostic sportif ou médical.

TITRE : "Modulateurs de lumière photovoltaïques pour vitrage dynamique auto-activé"

ACRONYME : PSLM
Site web : https://anr.fr/Projet-ANR-19-CE05-0036
Période : Décembre 2019 (42 mois)
Coordinateur : Dr. Thomas Heiser (Laboratoire des sciences de l'Ingénieur, de l'Informatique et de l'Imagerie -UMR 7357)
Participants :
IS2M Institut de Sciences des Matériaux de Mulhouse (IS2M) - UMR 7361
University of Southampton / Department of Physics and Astronomy
ICPEES Institut de Chimie et Procédés pour l'Energie, l'Environnement et la Santé
I.C.S Institut Charles Sadron (UPR 22)
ICube _ UNISTRA Laboratoire des sciences de l'Ingénieur, de l'Informatique et de l'Imagerie (UMR 7357)

Description du projet :  Les systèmes de vitrage dynamique, c'est-à-dire les vitres capables de contrôler le rayonnement solaire entrant, peuvent réduire considérablement la consommation d'énergie pour l'éclairage et la climatisation des bâtiments. Cependant, l'utilisation répandue des technologies actuelles pour les fenêtres intelligentes dans les bâtiments est encore limitée par des coûts élevés, une consommation d'énergie importante, des temps de réponse lents ou un manque de contrôle par l’utilisateur. Ce projet se focalise sur un nouveau concept, que nous appelons le "modulateur spatial de lumière photovoltaïque" (ou PSLM), un système de verre dynamique à fort potentiel pour contourner certains des verrous technologiques qui limitent actuellement l'intégration des fenêtres intelligentes dans le bâtiment. Les PSLM sont des modulateurs de lumière hybrides à cristaux liquides optiquement adressables qui incluent une multicouche photovoltaïque organique comme élément photosensible et offrent de nombreux avantages potentiels par rapport aux autres systèmes. Ils peuvent fonctionner sans alimentation électrique externe, leur temps de réponse est très inférieur à celui de la plupart des autres dispositifs chromogéniques, ils peuvent être facilement contrôlés par l'utilisateur, leur aspect optique peut être ajustée par ingénierie moléculaire, et leur procédé de fabrication est compatible avec des dispositifs de grande surface. L'architecture du PSLM combine, de manière inédite, une couche de cristaux liquides (CL) nématique twistés avec une hétérojonction donneur/accepteur organique pour produire un nouveau système optiquement fonctionnel. La réponse optique du dispositif résulte du champ photoélectrique généré spontanément par l'hétérojonction donneur/accepteur, qui agit sur l’orientation des cristaux liquides et modifie la transparence. Cette architecture de composant très particulière soulève plusieurs défis scientifiques et techniques qui seront abordés dans le projet, dans le but d'améliorer les performances et d'élargir la portée des dispositifs PSLM. Nous chercherons à mieux comprendre et contrôler l'interface entre le CL et les couches organiques, à améliorer la transparence de l'appareil, à développer des architectures de dispositifs plus avancées et à rendre les PSLMs sensibles à la lumière infrarouge tout en restant transparent dans le domaine visible.
Pour atteindre ces objectifs, nous synthétiserons de nouveaux polymères donneurs d'électrons et accepteurs d'électrons avec un seuil d'absorption de photons proche de l'UV ainsi que de nouvelles couches transporteur d’électrons. Nous utiliserons des couches organiques orientées uniaxialement par un processus mécanique amélioré et effectuerons des études physiques approfondies des interfaces entre cristaux liquides/couche d'alignement. Enfin nous étudierons la dynamique des porteurs de charges dans les PSLM et développerons des architectures avancées capables d'améliorer la sensibilité et la transparence des dispositifs.

TITRE : "Lab-on-disc for in situ monitoring of surface water quality by algae biosensors and physicochemical sensors"

ACRONYME : BELUGA
Site web : https://anr.fr/Project-ANR-18-CE04-0007  -   https://www.laas.fr/projects/BELUGA/
Période : Janvier 2019 (48 mois)
Coordinateur : Dr. Jérôme Launay (Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes-UPR 8001)
Participants :
ORIGALYS ELECTROCHEM
CINaM Centre National de la Recherche Scientifique DR12 Centre Indisciplinaire de Nanoscience de Marseille
INL - CNRS INSTITUT DES NANOTECHNOLOGIES DE LYON
LEHNA LABORATOIRE D'ECOLOGIE DES HYDROSYSTEMES NATURELS ANTHROPISES
LAAS-CNRS Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes du CNRS

Description du projet : La surveillance des écosystèmes aquatiques constitue une préoccupation environnementale importante qui cible les grandes familles de polluants (métaux, pesticides, …) générés par les activités humaines. La mesure des contaminants d'eaux de surface (douces ou marines) s’effectue traditionnellement en laboratoire d’analyses par des techniques conventionnelles permettant la détection d’un large panel de molécules. La représentativité et la fiabilité du résultat final dépendent des étapes du prélèvement sur le terrain jusqu’au laboratoire. Conditionnement, conservation, stockage et transport sont des règles strictes à respecter afin de limiter toute évolution de l’échantillon. Ce processus s’avère laborieux, prend du temps et conduit à un manque de résultats en temps réel pour promouvoir une réponse proactive à la contamination de l'eau. Le « Lab-On-Disc » (LOD) proposé dans BELUGA ambitionne de répondre à ces enjeux grâce à l’analyse multiple en temps réel sur site, en particulier sur des matrices complexes de polluants, dans des eaux de surface sans aucune infrastructure autre que le système portatif proposé. Cet outil, dont l’architecture consiste en l’empilement de disques (figure ci-dessus) permettra de cartographier plus finement et d’évaluer plus fréquemment l’évolution des contaminations ayant un impact sur le métabolisme algal. L’outil portable proposé (formé d’un réseau micro-fluidique de manipulation des échantillons et des suspensions d’algues, de capteurs électrochimiques, physiques et optiques – OLED & OPD) constituera un système d’alerte précoce, bas coût, portable, autonome, fiable et robuste, qui orientera les gestionnaires vers des analyses chimiques complémentaires, et aura clairement un impact sur le plan sanitaire et économique.

TITRE : "Non-Fullerene-Acceptor based polymer solar cells with 15% efficiency and 10-year lifetime"

ACRONYME : NFA-15
Site web : https://anr.fr/Project-ANR-17-CE05-0020  -   https://www.cinam.univ-mrs.fr/newsite/anr-nfa15/index.php
Période : Janvier 2018- Juin 2022
Coordinateur : Dr. Jörg Ackermann (CINaM UMR CNRS 7325, Marseille).
Participants :
CINaM - Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille : Christine VIDELOT-ACKERMANN, Olivier MARGEAT, Yatzil AVALOS (Phd) - http://www.cinam.univ-mrs.fr
IM2NP Institut des Matériaux, de Microélectronique et des Nanosciences de Provence : Carmen Ruiz-Herrero , David Duche, Jean-Jacques SIMON - https://www.im2np.fr/
ICCF Institut de Chimie de Clermont-Ferrand : Agnes Rivaton, Pascal de Saint-Claire
ARMOR
SYMMES Systèmes Moléculaires et nanoMatériaux pour l'Energie et la Santé

Description du projet :  Les cellules solaires à polymère (PSC) sont des technologies prometteuses pour la production d'énergie solaire photovoltaïque à faible coût. Grâce à leur flexibilité, semi-transparence et leur aspect de couleur les PSCs ne sont pas qu'intéressantes pour le photovoltaïque intégré au bâtiment (BIPV), mais aussi comme fournisseurs d'énergie uniques pour l'intérieure et les appareils électroniques grand public. Des entreprises telles qu'ARMOR commencent dès à présent à lancer leurs premiers produits sur ces marchés. Des efficacités de conversion d'énergie (PCE) de plus de 17% ont été démontrées pour les PSCs en 2020 à l'échelle du laboratoire, mais seulement 5% environ sont atteintes au niveau des modules fabriqués par des processus industriels limitant leur potentiel pour le marché PV. Par conséquent, le principal défi pour les PSCs est maintenant d'accroître l'efficacité de la conversion de l'énergie dans la production industrielle par R2R. Au cours des sept dernières années, de nouveaux accepteurs non fullerènes (NFA) ont été mis au point, ce qui a permis d'accroître les PCE de >6% en 2015 à 17% en 2020. Les objectifs du projet NFA-15 sont A : démonstration de PSCs basées sur des NFAs avec une efficacité de 15% à l'échelle du laboratoire. B : Transfert de la technologie NFA à une technologie d’impression à l'air avec une efficacité au niveau du module de 10% (8 à 9% après <stabilisation). C : Sélection des matériaux pour atteindre une durée de vie de 7 à 10 ans. L'objectif A vise à combinant de nouveaux NFAs avec l'utilisation d'une approches basée sur des mélanges ternaires et quaternaires. Pour l'objectif industriel B, la compatibilité des NFAs avec les solvants non toxiques, une pureté et reproductibilité des synthèses NFAs sont au centre des préoccupations. L'objectif d'une durée de vie de 10 ans (objectif C) sera atteint en combinant les NFAs avec des matériaux de type donneur sélectionnés et une encapsulation à haute efficacité fournie par ARMOR.

TITRE : "New FLUOrescent HYBrid nanomaterials based on Aggregation-Induced Emission (AIE) organic ligands grafted to inorganic nanoparticles – FluoHyb "

ACRONYME : FLUOHYB
Site web : https://anr.fr/Project-ANR-17-CE09-0020
Période : Janvier 2018- Juin 2022
Coordinateur : Dr. Muriel Hissler
Participants :
ISCR Institut des Sciences Chimiques de Rennes
CINaM CNRS DR12 Centre National de la Recherche Scientifique Délégation provence et Corse DR12 - Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille
NIMBE Laboratory of Innovation in Surface Chemistry and Nanosciences

Description du projet : Pi-Conjugated oligomers and polymers based on a planar backbone of sp2-bonded carbon atoms have attracted increasing interest in recent years owing to their potential application for electronic devices. For example, light-emitting diodes (OLEDs) for display based on polymer technology are commercialized since 2002. However, research in this field is still needed especially toward the development of optimized materials for white-LEDs. This type of devices is of tremendous interest since they can potentially replace traditional incandescent white light sources generating enormous energy saving. The aim of this project is the development of highly luminescent hybrids which can be used for the development of optoelectronic devices like light-emitting diodes (LEDs). To develop these new materials, we will graft Aggregation-Induced Emission organic fluorophores (AIE) on inorganic nanoparticles like ZnO, ZrO2... The grafting, via an anchoring group part of the pi-system, will concentrate a large number of chromophores at the surface and particularly freeze the motion of the molecules to reduce non-radiative deactivations. One of our objectives concerns the development of a synthetic method, easy to implement, reproducible and permits to obtain large quantities of modified nanoparticles. In particular, phospholes, siloles and tetraphenylethylene, which AIE properties have already been demonstrated on “all organic” system will be studied. One objective will be to prepare AIE fluorophores emitting different wavelengths in the visible range. Furthermore, we will study in detail the interactions between the organic fluorophore and the nanoparticle by varying different parameters (nature and position of the grafting function, shape of the nanoparticle (sphere, rod...), and introduction of different substituents on the fluorophore). Finally, introduction of these new hybrid materials with tunable emission into specific LEDs structures using wet techniques to simplify the manufacturing processes of these devices is the main target of the project to develop white LEDs for lighting.

TITRE : "Anisotropic polymer materials for thermoelectric applications: Synthesis, processing and properties"

ACRONYME : ANISOTHERM
Site web : https://anr.fr/Projet-ANR-17-CE05-0012
Période : Janvier 2017 - Juin  2022
Coordinateur : Dr. Martin Brinkmann (Institut Charles Sadron UPR CNRS 22)
Participants :
PCM2E LABORATOIRE DE PHYSICO-CHIMIE DES MATÉRIAUX ET DES ELECTROLYTES POUR L'ENERGIE
GREMAN Matériaux, Microélectronique, Acoustique, Nanotechnologies
ICPEES Institut de Chimie et Procédés pour l'Energie, l'Environnement et la Santé
UPR022 Institut Charles Sadron

Description du projet :  This project focuses on the fabrication of new polymer thermoelectric materials and to explore how their processing in thin films by crystallization, orientation and soft doping can improve their thermoelectric (TE) properties. It is organized around three tasks: i) the synthesis of new macromolecular architectures of p- and n-type polymers that allow an efficient and controlled doping, ii) to develop alignment methods and soft doping processes to obtain highly structured and oriented conducting polymer films, iii) to determine structure-TE property correlations in model systems to provide a better understanding of the physical mechanisms governing TE properties in these new polymer materials. Ultimately, this project will generate new polymer TE materials with an efficiency ZT=0.1-0.2. To this aim, the project is supported by four laboratories with expertise in macromolecular engineering, growth control, structural analysis of polymer thin films and determination of charge transport and thermoelectric properties.
This pluridisciplinary project involves four laboratories located in Strasbourg and Tours with highly complementary experties : macromolecular engineering (ICPEES and PCM2E), growth control of polymer thin films and structural investigations (ICS), controled electrochemical doping (PCM2E) and determination of charge transport and thermoelectric properties (GREMAN).

TITRE : "Generic Approach To new organic semiconductors for Electronic applications"

ACRONYME : GATE
Site web : https://anr.fr/Project-ANR-16-CE07-0024
Période : Octobre 2016-Février 2022
Coordinateur : Dr. Michel Frigoli (UMR8180-ILV). E-mail: michel.frigoli@uvsq.fr
Participants :
LPICM Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces - https://portail.polytechnique.edu/lpicm/en
ILV Institut Lavoisier de Versailles - http://www.ilv.uvsq.fr/en
UMR5819-SyMMES - https://www.symmes.fr/en

Description du projet :  Organic electronics is the next ubiquitous platform for the electronics revolution, with devices such as OLEDs, which are already entering the market, and many other applications being envisioned such as, foldable displays, e-paper or RFID tags. Organic semiconductors (OSs) that meet the criteria of high mobility, easy processability and better stability are needed. GATE proposes to explore key design strategies to develop a versatile synthetic approach to generate library of -conjugated OSs, with on-demand properties combining high charge carrier mobility, easy processability and better stability by incorporating aromatic and antiaromatic subunits, assembled in a Lego style by fusing them in desired sequence. Targeted materials are: a) Stable low bandgap Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) based on bisacenes; b) Ambipolar and n-type quinoïdal polycyclic molecules (QPHs) with closed or open shell structures based on indenoacene and zethrene derivatives. GATE relies in developing a multidisciplinary approach, from molecules to functional electronic devices, OFETs and photovoltaic cells. It aims at gaining fundamental understanding of, molecular self-assembly, relationships linking (supra)molecular structure and property through optical, electrochemical, thermal, microstructural (both single-crystal and thin-film), and electrical measurements and of the correlation exiting between structural parameters at various length scales and electronic, optical and charge transport properties.