L’empilement et la combinaison de plusieurs photons de basse énergie pour former un photon de plus haute énergie est un concept qui a été théorisé dès 1931 par Goeppert-Mayer. De nombreux mécanismes ont été décrits, dont l’addition de photons par transfert d’énergie (APTE), introduit par Auzel en 1966 dans des poudres polycristallines de WO₄Na_0.5Yb_0.5 dopées avec 2% de l’ion Er³⁺. Il a fallu attendre 2011, au sein du groupe Piguet, pour observer et complétement caractériser les premières conversions ascendantes de photons dans des systèmes moléculaires exploitant l’optique linéaire.

Cette thèse s’inscrit dans ce contexte d’étude, de compréhension et d’amélioration de la conversion ascendante de photons dans des systèmes moléculaires, plus particulièrement en utilisant le mécanisme d’APTE. Le premier chapitre introduit d’abord la luminescence des lanthanides et leur coordination qui mène à un « effet d’antenne ». Une liste exhaustive de colorants organiques utilisés à but d’antennes dans la littérature est présentée.

Ceci permet de comprendre la conception du composé [L2Er(hfac)₃]⁺ et son étude dans le deuxième chapitre, qui fait suite à une innovante étude dans le groupe du composé [L1Er(hfac)₃]⁺. En effet, une antenne de colorant organique de type cyanine a été liée de manière covalente au ligand tridenté complexant un cation erbium(III). La particularité du nouveau complexe est la réduction de la taille du pont connectant l’antenne et l’erbium, ce qui améliore l’efficacité de l’APTE.

Puis, dans le troisième chapitre, l’idée est de fixer d’avantages d’antennes autour de l’erbium trivalent. À première vue accessible directement avec le ligand [L2]⁺, le complexe saturé [L2₃Er]⁶⁺ s’avère instable dû à une trop grande répulsion coulombienne des ligands entre eux, et entre les ligands et le métal. Il a fallu user d’une stratégie supramoléculaire avec un gain thermodynamique apporté par l’auto-assemblage dans la formation du complexe [ZnErZn(L4)₃]¹⁰⁺. Ceci a permis d’améliorer de manière significative l’APTE.

Dans le quatrième chapitre, l’objectif est de remplacer l’antenne de cyanine par un lanthanide qui peut lui aussi sensibiliser l’erbium. Il a fallu tout d’abord étudier la thermodynamique de la formation de ces complexes dinucléaires. Le complexe [LnL6Ln’(hfac)₆] est composé d’un ligand avec deux extrémités accessibles au métal, l’un bidenté et l’autre tridenté. Cette différence permet une certaine sélectivité thermodynamique des lanthanides, encore très peu étudiée avec des ligands à deux sites en chimie moléculaire.

Le cinquième chapitre montre l’étude de la conversion ascendante du composé [ErL6Er(hfac)₆], par mécanisme d’absorption de l’état excité (Excited State Absorption, ESA) et par relaxation croisée (Cross Relaxation, CR). L’étude des hétérolanthanides de ce complexe est visée et correspond aux perspectives logiques de cette thèse.