Theoretical study of inorganic molecular systems : from molecules to devices

Études théoriques de systèmes moléculaires inorganiques : de la molécule au dispositif

• Auteur / Autrice : Frédéric Gendron
• Direction : Karine Costuas, Jean-François Halet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydoréduction

Réactions radicalaires

Résonance paramagnétique électronique

Électronique moléculaire

Chimie organométallique

Théorie de la fonctionnelle de densité

Résumé

Les relations entre la structure électronique de complexes organométalliques à ligands carbonés et leurs propriétés physiques ont été rationalisées à l'aide de la méthode de la fonctionnelle de la densité. Ces molécules constituées de plusieurs centres métalliques, ont la particularité d’être stables sous plusieurs degrés d’oxydation et possèdent des propriétés de communication électronique et magnétique intéressantes en électronique moléculaire. Une attention particulière a été portée sur une série de complexes mono-oxydés de métaux du groupe 8. Ces études révèlent que la probabilité de présence de l'électron célibataire après oxydation est fortement influencée par la nature du centre métallique et de la sphère de ligands. Ces résultats ont permis d'interpréter les mesures RPE de ces systèmes, ainsi que leur stabilité thermodynamique. Des études ont été menées sur plusieurs systèmes bi- ou tétra-nucléaires apparentés. Elles mettent en évidence le rôle prépondérant joué par l'orientation des fragments métalliques sur les propriétés de communication électronique et sur les couplages magnétiques des espèces oxydées. En effet, des rotations d’un greffon organométallique par rapport à l’autre induisent une réorganisation énergétique des orbitales frontières pouvant conduire au changement d'un état antiferromagnétique à un état ferromagnétique. Une approche innovante serait d’utiliser ces systèmes comme briques moléculaires pour la conception de dispositifs électroniques tels que des fils moléculaires, des mémoires, voire des automates cellulaires quantiques. Une étude théorique préliminaire de ces molécules greffées sur surfaces d'or est brièvement présentée.

The relationships between the electronic structure of carbon-rich organometallic complexes and their physical properties were rationalized with the aid of density-functional-theory calculations. These molecules constituted of several metal centers have attracted great attention because they can be stable under several oxidation states and display electronic and magnetic communication which are interesting for application in molecular electronics. A particular attention was given to a series of mono-oxidized complexes containing metal atoms of Group 8. These studies showed that the distribution of the atomic spin densities is strongly influenced by the nature of the metal center and the ancillary ligands. These results allowed understanding the EPR measurements of these monocationic systems and their thermodynamic stability. Similar studies were performed on several analogous bi- or tetra-metallic compounds. These studies highlight the preponderant role played by the orientation of the metallic fragments on the electronic communication properties and on the magnetic coupling of these oxidized species. Indeed, rotations of one organometallic end-group with respect to the other can lead to an energetic reorganization of the frontier orbitals which can lead to a change from an antiferromagnetic state to a ferromagnetic state. An innovative approach is to potentially use these systems as molecular building blocks for the design of devices such as switches, molecular wires, molecular memories or quantum cellular automata. A preliminary theoretical study of these molecules grafted on gold surfaces is briefly described.