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The control of the optical properties of molecules and materials represents a considerable challenge for high-tech applications. In particular, the accurate description of the excited states of chemically relevant molecular systems is intrinsically a difficult problem for quantum approaches. During this thesis, we tested how new generation exchange correlation functionals, such as non-parametrized double hybrids, can ameliorate the description of excited states. We provided a new way to get a global description of the computed excited states using an analysis based on the Global Transition Contribution Grids. Finally, the ability of current approaches in describing the excited states of molecular systems of interest in the domain of PhotoDynamic Therapy was also tested., Le contrôle des propriétés optiques des molécules et des matériaux représente un défi considérable pour les applications de haute technologie. En particulier, la description précise des états excités de systèmes moléculaires chimiquement pertinents est intrinsèquement un problème difficile pour les approches quantiques Au cours de cette thèse, nous avons testé comment des fonctionnelles d’échange et correlation de nouvelle génération, telles que les doubles hybrides non paramétrés, peuvent améliorer la description des états excités. Nous avons élaboré une nouvelle façon d'obtenir une description globale des états excités en utilisant une analyse basée sur les Global Transition Contribution Grids. Enfin, la capacité des approches actuelles à décrire les états excités des systèmes moléculaires d'intérêt dans le domaine de la thérapie photo-dynamique a également été testée.

International audience; PTB7-Th tetramer showed only 0.04 eV of difference from the experimental one. With the pentamer of PTB7-Th was possible to achieve the value of the maximum of absorbance in the visible light region by means of TD-DFT calculations, 1.72 eV. And, from REW-TD-DFT calculations, the transitions S (1s) → LUMO (π*) and S (1s) → LUMO (σ*) for both the PTB7-Th monomer and the ITIC molecule, showed less than 1.5 eV of difference from the value obtained experimentally.

National audience; The aim of this thesis is to develop an organic photodiode (OPD) designed to be integrated into a biosensor. It is part of the broader framework of studying and improving organic components involved into devices devoted to water pollution monitoring. The need for such portable, fast-response, low-cost microsystems is of great interest. The measurement is based on the fluorescence detection of micro-algae under toxic substances exposure. The excited algae, under a blue light emitting diode (LED), will emit a fluorescence signal whose intensity, modified because of pollutant exposure (Diuron), is detected by the OPD. Since the fluorescence signal is very weak, the ideal OPD must have a low dark current and a high sensitivity. To achieve this performance, a judicious choice of organic semiconductor materials (OSC) used for the OPD is required. In addition, it is interesting to investigate their physico-chemical properties by rationalizing the mechanisms involved in the active layer (photon absorption phenomena, charge transport mechanisms, and losses associated with charge recombinations). This thesis is based on two axes. The first one consists in a theoretical study of the charge exchanges at a nanoscale. This have been done by both optical characterizations and quantum chemistry calculations based on DFT and TD-DFT methods. Calculations were performed on a model system (P3HT) thus providing the basis for a very promising computational protocol for studying the properties of materials of interest, for instance PTB7. The second axis concerns the experimental study of the OPD based on PTB7:PC60BM. We have developed, characterized and optimized an OPD guarantying the detection of algal fluorescence without and with Diuron at about nanomolar concentrations.; L'objectif de ce travail de thèse est l'élaboration d'une photodiode organique (OPD) destinée à être intégrée dans un biocapteur. Ce travail s'inscrit dans le cadre plus général de l'étude et de l'amélioration de composants organiques impliqués dans des microsystèmes de détection visant à surveiller la pollution de l'eau. Le besoin dévaluation et de suivi de la qualité de l'eau suscite un grand intérêt pour des systèmes de détection portables de polluants ayant une réponse rapide et de faible coût. Le principe de la mesure repose sur la détection des variations de fluorescence de micro-algues en présence de substances toxiques. Excitées grâce à une diode électroluminescente (LED) bleue, les algues vont émettre un signal de fluorescence dont l'intensité, modifiée en présence de polluant (Diuron), est détectée par lOPD optimisée. Le signal de fluorescence à détecter étant très faible, l'OPD idéale doit avoir un faible courant d'obscurité et une grande sensibilité. Cela passe par un choix judicieux des matériaux semi-conducteurs organiques (OSC) entrant dans l'élaboration de la couche active du composant. Pour accompagner le choix des matériaux, il est intéressant d’explorer leurs propriétés physico-chimiques tout en essayant de rationaliser les mécanismes mis en jeu au sein de ces matériaux lorsqu'ils sont utilisés dans l'élaboration d'OPD (phénomènes d'absorption de photons, mécanismes de transport de charges, et pertes associées aux recombinaisons de charges). Cette thèse s'articule autour de deux axes. Le premier axe consiste en une étude théorique qui vise à comprendre et à maitriser l'échange des charges à l'échelle nanométrique par des caractérisations optiques et des calculs de chimie quantique basés sur des méthodes DFT et TD-DFT. L'étude sur un système modèle (le P3HT) a permis d'établir un protocole de calcul très prometteur pour l'étude des propriétés de matériau d'intérêt, en particulier le PTB7. Le second axe est un volet à caractère expérimental. L'élaboration, la caractérisation et l'optimisation d'OPD à base de PTB7 : PC60BM a permis de concevoir un biocapteur algal apte à détecter le Diuron à des concentrations de l'ordre du nanomolaire.

The aim of this thesis is to develop an organic photodiode (OPD) designed to be integrated into a biosensor. It is part of the broader framework of studying and improving organic components involved into devices devoted to water pollution monitoring. The need for such portable, fast-response, low-cost microsystems is of great interest. The measurement is based on the fluorescence detection of micro-algae under toxic substances exposure. The excited algae, under a blue light emitting diode (LED), will emit a fluorescence signal whose intensity, modified because of pollutant exposure (Diuron), is detected by the OPD. Since the fluorescence signal is very weak, the ideal OPD must have a low dark current and a high sensitivity. To achieve this performance, a judicious choice of organic semiconductor materials (OSC) used for the OPD is required. In addition, it is interesting to investigate their physico-chemical properties by rationalizing the mechanisms involved in the active layer (photon absorption phenomena, charge transport mechanisms, and losses associated with charge recombinations). This thesis is based on two axes. The first one consists in a theoretical study of the charge exchanges at a nanoscale. This have been done by both optical characterizations and quantum chemistry calculations based on DFT and TD-DFT methods. Calculations were performed on a model system (P3HT) thus providing the basis for a very promising computational protocol for studying the properties of materials of interest, for instance PTB7. The second axis concerns the experimental study of the OPD based on PTB7:PC60BM. We have developed, characterized and optimized an OPD guarantying the detection of algal fluorescence without and with Diuron at about nanomolar concentrations.; L'objectif de ce travail de thèse est l'élaboration d'une photodiode organique (OPD) destinée à être intégrée dans un biocapteur. Ce travail s'inscrit dans le cadre plus général de l'étude et de l'amélioration de composants organiques impliqués dans des microsystèmes de détection visant à surveiller la pollution de l'eau. Le besoin d'évaluation et de suivi de la qualité de l'eau suscite un grand intérêt pour des systèmes de détection portables de polluants ayant une réponse rapide et de faible coût. Le principe de la mesure repose sur la détection des variations de fluorescence de micro-algues en présence de substances toxiques. Excitées grâce à une diode électroluminescente (LED) bleue, les algues vont émettre un signal de fluorescence dont l'intensité, modifiée en présence de polluant (Diuron), est détectée par l'OPD optimisée. Le signal de fluorescence à détecter étant très faible, l'OPD idéale doit avoir un faible courant d'obscurité et une grande sensibilité. Cela passe par un choix judicieux des matériaux semi-conducteurs organiques (OSC) entrant dans l'élaboration de la couche active du composant. Pour accompagner le choix des matériaux, il est intéressant d'explorer leurs propriétés physico-chimiques tout en essayant de rationaliser les mécanismes mis en jeu au sein de ces matériaux lorsqu'ils sont utilisés dans l'élaboration d'OPD (phénomènes d'absorption de photons, mécanismes de transport de charges, et pertes associées aux recombinaisons de charges). Cette thèse s'articule autour de deux axes. Le premier axe consiste en une étude théorique qui vise à comprendre et à maitriser l'échange des charges à l'échelle nanométrique par des caractérisations optiques et des calculs de chimie quantique basés sur des méthodes DFT et TD-DFT. L'étude sur un système modèle (le P3HT) a permis d'établir un protocole de calcul très prometteur pour l'étude des propriétés de matériau d'intérêt, en particulier le PTB7. Le second axe est un volet à caractère expérimental. L'élaboration, la caractérisation et l'optimisation d'OPD à base de PTB7 : PC60BM a permis de concevoir un biocapteur algal apte à détecter le Diuron à des concentrations de l'ordre du nanomolaire.

30-31 Janvier 2014; National audience; L'interaction entre un rayonnement UV-visible-procheIR et la matière est au centre de plusieurs problématiques: effet photovoltaïque, photochromisme, dichroïsme circulaire, effet d'antenne, luminescence, transferts de charge induits Les méthodes de calculs basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité de l’état stationnaire (DFT) ou dépendante du temps (TD-DFT) permettent d’obtenir avec une certaine précision et efficacité la structure électronique des composés moléculaires synthétiser au laboratoire et leur réactivité lors de l’interaction avec un rayonnement. La TD-DFT est d’ailleurs dans le monde devenue la méthode la plus populaire et de loin pour étudier les états électroniques excités d’un composé.Toutefois cette popularité ne signifie pas que la TD-DFT soit une « boîte noire » dont la réponse à la sortie serait toujours facilement compréhensible. Contrairement à notre image d’Epinal d’une transition mono-électronique depuis une OM de départ vers une OM d'arrivée, les états excités simulés en TD-DFT sont souvent décrits comme des combinaisons de transitions. La rationalisation par l’analyse topologique entre les OM impliquées devient ainsi un travail ardu et extrêmement fastidieux pouvant rapidement débouché vers des erreurs d’interprétations.La conférence présentera de manière pédagogique comment utiliser certains outils récemment développés ou enrichis par les physico-chimistes de la communauté TD-DFT1,2 pour rationaliser les propriétés de transferts de charge photoinduits de composés électroactifs ou de type push-pull. Certaines molécules (schématisés ci-dessous) issues de travaux récents (revisités) basés sur des dithiolènes ou des TTF fonctionnalisés et parfois coordinés, illustreront le propos de la conférence.3–7(1) Peach, M. J. G.; Tozer, D. J. J. Mol. Struct. THEOCHEM 2009, 914, 110–114.(2) Le Bahers, T.; Adamo, C.; Ciofini, I. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 2498–2506.(3) Pointillart, F.; Cauchy, T.; Le Gal, Y.; Golhen, S.; Cador, O.; Ouahab, L. Chem. Commun. 2010, 46, 4947.(4) Pointillart, F.; Cauchy, T.; Maury, O.; Le Gal, Y.; Golhen, S.; Cador, O.; Ouahab, L. Chem. - Eur. J. 2010, 16, 11926–11941.(5) Biet, T.; Fihey, A.; Cauchy, T.; Vanthuyne, N.; Roussel, C.; Crassous, J.; Avarvari, N. Chem. - Eur. J. 2013, 19, 13160–13167.(6) Pop, F.; Branzea, D. G.; Cauchy, T.; Avarvari, N. Comptes Rendus Chim. 2012, 15, 904–910.(7) Pop, F.; Riobé, F.; Seifert, S.; Cauchy, T.; Ding, J.; Dupont, N.; Hauser, A.; Koch, M.; Avarvari, N. Inorg. Chem. 2013, 52, 5023–5034.

The work reported in this manuscript deals with the applications of quantum chemistry tools on several types and families of chemical compounds, i. e., clusters entrapping anions and transition metals inorganic complexes. We have mainly focused our attention on the geometrical structure, the electronic structure and on the relationship between structure and optical properties of stable molecules which have been synthesized and characterized.; Les travaux décrits dans cette thèse ont porté sur l'application de méthodes de la chimie quantique à l'étude de différents types et familles de composés chimiques, à savoir, des clusters encapsulant des anions et des complexes inorganiques de métaux de transition. On s'est particulièrement intéressé à la structure géométrique, la structure électronique et aux relations structures-propriétés optiques de systèmes moléculaires stables et bien caractérisés.

The theoretical work of the thesis have allowed us to study in detail, on the basis of DFT methods, TD-DFT and ab initio structural, electronic and spectroscopic properties of two classes of molecules, carbonyl compounds, hydrides transition metals of the 1st and 3rd row (Mn, Re) and complex cyclométalants phenyl pyridine iridium. The focus was specifically on the effects of spin-orbit coupling on the electronic absorption spectra of these molecules. The quantification of these effects showed that only electronic spectra of the complexes with a metal center of the 3rd row transition metals (Re, Ir) were modified by correcting spin-orbit perturbation. The character states, MC or MLCT, the proximity of singlet and triplet states are the factors that strongly influence the spin-orbit interaction between excited states. A remarkable effect observed for the rhenium complex is the large shift of the absorption spectrum to the red of the bursting of the lowest triplet state. In this case the effect of spin-orbit coupling must be taken into account to get closer to the experience spectrum. A spin-orbit effects already observed on other systems is to increase the density of states per burst and triplet states as decreasing the oscillator strength which fall on these statements lead to absorption spectra electronic broader and less intense. The study of the iridium complexes for which experimental spectra are particularly poorly resolved, shows a remarkable agreement between them is the theoretical absorption spectra of TDDFT. However, the functional effects can play an important role in the quality of the spectra. For these molecules ab initio calculations do not reach beyond the CASSCF level. The excited states are delocalized in these molecules and it is difficult to describe the same level of approximation the different types of states MLCT, LLCT, MC, LMCT ... In mostcases the functional B3LYP and PW91 give satisfactory results for the iridium complexes. The spin-orbit explosions electronic triplet states may be higher than 1500 cm-1 in complex with metal center 3rd row transition metals.; Les travaux théoriques réalisés dans le cadre de la thèse nous ont permis d’étudier en détail, sur la base de méthodes DFT, TD-DFT et ab initio les propriétés structurales, électroniques et spectroscopiques de deux classes de molécules, les composés carbonyles hydrures des métaux de transition de la 1re et 3me rangée (Mn, Re) et les complexes cyclométalants phenyl pyridine de l’iridium. L’accent a été mis plus particulièrement sur les effets de couplage spin-orbite sur les spectres d’absorption électronique de ces molécules. La quantification de ces effets a permis de montrer que seuls les spectres électroniques des complexes possédant un centre métallique de la 3me rangée des métaux de transition (Re, Ir) étaient modifiés par la correction spin-orbite en perturbation. Le caractère des états, MC ou MLCT, la proximité des états singulets et triplets sont les facteurs qui influencent fortement l’interaction spinorbite entre états excités. Un effet remarquable observé pour le complexe du rhenium est le décalage important du spectre d’absorption vers le rouge du à l’éclatement de l’état triplet le plus bas. Dans ce cas l’effet de couplage spinorbite doit être pris en compte pour obtenir un spectre plus proche de l’expérience. Un effet spin-orbite déjà observé sur d’autres systèmes est l’augmentation de de la densité d’états par éclatement des états triplets et la diminuation des force d’oscillateur qui se répartissent sur ces états pour aboutir à des spectres d’absorption électronique plus étendus et moins intenses. L’étude menée sur les complexes d’iridium pour lesquels les spectres expérimentaux sont particulièrement mal résolus, montre un accord remarquable entre ceux-ci est les spectres d’absorption théoriques TD-DFT. Cependant les effets de fonctionnelle peuvent jouer un rôle important sur la qualité des spectres. Pour ces molécules les calculs ab initio n’ont pu aboutir au-delà du niveau CASSCF. Les états excités sont très délocalisés dans ces molécules et il est difficile de décrire au même niveau d’approximation les différents types d’états MLCT, LLCT, MC, LMCT... Dans la plupart des cas les fonctionnelles B3LYP et PW91 donnent des résultats satisfaisants pour les complexes d’iridium. Les éclatements spin-orbite des états électroniques triplets peuvent être supérieurs à 1500 cm-1 dans les complexes possédant un centre métallique de la 3me rangée des métaux de transition.

The theoretical work of the thesis have allowed us to study in detail, on the basis of DFT methods, TD-DFT and ab initio structural, electronic and spectroscopic properties of two classes of molecules, carbonyl compounds, hydrides transition metals of the 1st and 3rd row (Mn, Re) and complex cyclométalants phenyl pyridine iridium. The focus was specifically on the effects of spin-orbit coupling on the electronic absorption spectra of these molecules. The quantification of these effects showed that only electronic spectra of the complexes with a metal center of the 3rd row transition metals (Re, Ir) were modified by correcting spin-orbit perturbation. The character states, MC or MLCT, the proximity of singlet and triplet states are the factors that strongly influence the spin-orbit interaction between excited states. A remarkable effect observed for the rhenium complex is the large shift of the absorption spectrum to the red of the bursting of the lowest triplet state. In this case the effect of spin-orbit coupling must be taken into account to get closer to the experience spectrum. A spin-orbit effects already observed on other systems is to increase the density of states per burst and triplet states as decreasing the oscillator strength which fall on these statements lead to absorption spectra electronic broader and less intense. The study of the iridium complexes for which experimental spectra are particularly poorly resolved, shows a remarkable agreement between them is the theoretical absorption spectra of TDDFT. However, the functional effects can play an important role in the quality of the spectra. For these molecules ab initio calculations do not reach beyond the CASSCF level. The excited states are delocalized in these molecules and it is difficult to describe the same level of approximation the different types of states MLCT, LLCT, MC, LMCT ... In mostcases the functional B3LYP and PW91 give satisfactory results for the iridium complexes. The spin-orbit explosions electronic triplet states may be higher than 1500 cm-1 in complex with metal center 3rd row transition metals., Les travaux théoriques réalisés dans le cadre de la thèse nous ont permis d’étudier en détail, sur la base de méthodes DFT, TD-DFT et ab initio les propriétés structurales, électroniques et spectroscopiques de deux classes de molécules, les composés carbonyles hydrures des métaux de transition de la 1re et 3me rangée (Mn, Re) et les complexes cyclométalants phenyl pyridine de l’iridium. L’accent a été mis plus particulièrement sur les effets de couplage spin-orbite sur les spectres d’absorption électronique de ces molécules. La quantification de ces effets a permis de montrer que seuls les spectres électroniques des complexes possédant un centre métallique de la 3me rangée des métaux de transition (Re, Ir) étaient modifiés par la correction spin-orbite en perturbation. Le caractère des états, MC ou MLCT, la proximité des états singulets et triplets sont les facteurs qui influencent fortement l’interaction spinorbite entre états excités. Un effet remarquable observé pour le complexe du rhenium est le décalage important du spectre d’absorption vers le rouge du à l’éclatement de l’état triplet le plus bas. Dans ce cas l’effet de couplage spinorbite doit être pris en compte pour obtenir un spectre plus proche de l’expérience. Un effet spin-orbite déjà observé sur d’autres systèmes est l’augmentation de de la densité d’états par éclatement des états triplets et la diminuation des force d’oscillateur qui se répartissent sur ces états pour aboutir à des spectres d’absorption électronique plus étendus et moins intenses. L’étude menée sur les complexes d’iridium pour lesquels les spectres expérimentaux sont particulièrement mal résolus, montre un accord remarquable entre ceux-ci est les spectres d’absorption théoriques TD-DFT. Cependant les effets de fonctionnelle peuvent jouer un rôle important sur la qualité des spectres. Pour ces molécules les calculs ab initio n’ont pu aboutir au-delà du niveau CASSCF. Les états excités sont très délocalisés dans ces molécules et il est difficile de décrire au même niveau d’approximation les différents types d’états MLCT, LLCT, MC, LMCT... Dans la plupart des cas les fonctionnelles B3LYP et PW91 donnent des résultats satisfaisants pour les complexes d’iridium. Les éclatements spin-orbite des états électroniques triplets peuvent être supérieurs à 1500 cm-1 dans les complexes possédant un centre métallique de la 3me rangée des métaux de transition.

UV-visible response factors are commonly used in analytical chemistry in order to evaluate the different compound proportions of a mix. Particularly popular in the industrial field, most of the time these factors are difficult to obtain, mainly when implicated compounds are difficult to isolate or to synthesize. In this context, theoretical chemistry - and more precisely Time Dependent Density Functional Theory (TD-DFT) --- could be a useful asset able to give rapid answers. In order to obtain this type of information, a study focused on UV-visible spectroscopy is needed. This study underlines the TD-DFT capacity to simulate at the same time the position of the absorption bands and to provide information related to quantification. Along these lines, some new density functionals were developed in order to try to increase the accuracy of the method from a structural point of view or property simulation like excitation energies. All in all, many models were tested --- some of them were developed --- in order to reproduce with the best accuracy the band shape of UV-visible absorption spectra. Not only focused on absorption, this study also tries to model fluorescence, showing the useful role of theoretical chemistry in science and in industry.; Les facteurs de réponse UV-visible sont des éléments clés utilisés en chimie analytique afin d'évaluer les proportions des différents constituants d'un mélange. Particulièrement prisés par le monde de l'industrie, ces facteurs sont le plus souvent difficiles à obtenir, surtout lorsque les composés mis en jeu sont des impuretés difficiles à isoler ou à synthétiser. Dans ce contexte, la chimie théorique, et plus particulièrement la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité Dépendant du Temps peut devenir un atout non négligeable, capable d'apporter des réponses en un minimum de temps. Afin de parvenir à ce type d'informations, une étude approfondie de la spectroscopie UV-visible est nécessaire. Cette étude met en lumière les capacités de la TD-DFT à simuler, non seulement la position des bandes d'absorption d'un spectre, mais également à être utilisée pour faire de la quantification de composés. À ce titre, plusieurs nouvelles fonctionnelles de la densité ont ici été développées afin de tenter d'améliorer la précision de la méthode, à la fois d'un point de vue structural, et d'un point de vue de la simulation de propriétés comme les énergies d'excitations. En somme, plusieurs modèles ont été éprouvés, dont certains développés, tous visant principalement à reproduire au mieux la structure parfois complexe des bandes d'absorption d'un spectre UV-visible. Non seulement centrée sur le processus d'absorption, cette étude s'étend également au processus de fluorescence, montrant et démontrant l'utilité de la chimie théorique en science et dans l'industrie.

UV-visible response factors are commonly used in analytical chemistry in order to evaluate the different compound proportions of a mix. Particularly popular in the industrial field, most of the time these factors are difficult to obtain, mainly when implicated compounds are difficult to isolate or to synthesize. In this context, theoretical chemistry - and more precisely Time Dependent Density Functional Theory (TD-DFT) --- could be a useful asset able to give rapid answers. In order to obtain this type of information, a study focused on UV-visible spectroscopy is needed. This study underlines the TD-DFT capacity to simulate at the same time the position of the absorption bands and to provide information related to quantification. Along these lines, some new density functionals were developed in order to try to increase the accuracy of the method from a structural point of view or property simulation like excitation energies. All in all, many models were tested --- some of them were developed --- in order to reproduce with the best accuracy the band shape of UV-visible absorption spectra. Not only focused on absorption, this study also tries to model fluorescence, showing the useful role of theoretical chemistry in science and in industry.; Les facteurs de réponse UV-visible sont des éléments clés utilisés en chimie analytique afin d'évaluer les proportions des différents constituants d'un mélange. Particulièrement prisés par le monde de l'industrie, ces facteurs sont le plus souvent difficiles à obtenir, surtout lorsque les composés mis en jeu sont des impuretés difficiles à isoler ou à synthétiser. Dans ce contexte, la chimie théorique, et plus particulièrement la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité Dépendant du Temps peut devenir un atout non négligeable, capable d'apporter des réponses en un minimum de temps. Afin de parvenir à ce type d'informations, une étude approfondie de la spectroscopie UV-visible est nécessaire. Cette étude met en lumière les capacités de la TD-DFT à simuler, non seulement la position des bandes d'absorption d'un spectre, mais également à être utilisée pour faire de la quantification de composés. À ce titre, plusieurs nouvelles fonctionnelles de la densité ont ici été développées afin de tenter d'améliorer la précision de la méthode, à la fois d'un point de vue structural, et d'un point de vue de la simulation de propriétés comme les énergies d'excitations. En somme, plusieurs modèles ont été éprouvés, dont certains développés, tous visant principalement à reproduire au mieux la structure parfois complexe des bandes d'absorption d'un spectre UV-visible. Non seulement centrée sur le processus d'absorption, cette étude s'étend également au processus de fluorescence, montrant et démontrant l'utilité de la chimie théorique en science et dans l'industrie.