Thèse soutenue

Interactions faibles dans les nanosystèmes carbones

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Auteur / Autrice : Abu Yaya
Direction : Christopher Ewels
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique de Matériaux, Nanomatériaux et nanotechnologie
Date : Soutenance en 2011
Etablissement(s) : Nantes
Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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Avec le logiciel AIMPRO, qui fournit une modélisation quantique basée sur la théorie de fonctionnelle de densité, on étudie plusieurs exemples importants de la faiblesse des interactions intermoléculaires dans les nanomatériaux de carbone. Au niveau mécanique quantique, nos calculs donnent une compréhension fiable et améliorée du rôle et de la fonction des interactions intermoléculaires faibles, ce qui ne peut pas être prédit par des méthodes conventionnelles comme les potentiels interatomiques classiques. Premièrement, on étudie l’interaction entre le brome physisorbé sur les nanomatériaux de carbone (graphène, graphite, nanotubes de carbone simple [SWCNT] et double [DWCNT] parois). Pour le graphène, nous trouvons une nouvelle forme de Br2, à notre connaissance jamais présentée dans la littérature, où la molécule se trouve perpendiculaire à la feuille de graphène avec un dipôle fort. La bromation ouvre un gap de petite taille (86 meV) dans la structuré de bande électronique et dope fortement le graphène. Dans le graphite, Br2 reste parallèle aux couches de carbone avec un transfert de charge moins fort et sans dipôle moléculaire. À plus haute concentration, la formation de chaînes de polybromure est thermodynamiquement favorisée, mais n’a pas lieu spontanément à cause d’une barrière d’activation appréciable (27,01 kJ / mol). Avec les nanotubes monoparoi, le Br2 reste perpendiculaire à la surface du tube, comme observé avec le graphène; dans les fagots, le Br2 s'intercale comme dans le graphite. Les spectres Raman sont enregistrés afin de vérifier ce résultat. Dans la deuxième partie, on étudie des interactions d’empilement de type π-π entre le benzène d’une part, les chaînes oligomères de PPV d’autre part, avec des nanomatériaux de carbone. Pour le dimère du benzène, nous avons réussi à reproduire les structures stables trouvées par ailleurs via des calculs de plus haut niveau de théorie ; pour le benzène sur le graphène ou sur les SWCNTs, l'empilement est de type AB comme dans le graphite. L'orientation de l’interaction dans le cas PPV / PPV est différente de celle obtenue dans le cas PPV / nanotube ou PPV / graphène. Dans le premier cas des plans moléculaires sont orthogonaux, semblable à un empilement de PPV ou d'autres hydrocarbures aromatiques polycycliques. Dans les autres cas, l’axe de la chaîne de PPV se trouve parallèle au plan du graphène comme à l’axe des nanotubes, ce qui est attribué à des effets d'empilement π-π. L'analyse des fonctions d’onde près du niveau de Fermi suggère qu’il y a peu de couplage électronique entre PPV et SWCNTs. La différence d’interaction prévue entre PPV et nanotubes semi-conducteurs ou métalliques suggère une nouvelle conception de composites PPV-SWCNT pour les dispositifs électroluminescents organiques.