Commutation thermo- et photo-induite de solides moléculaires a transition de spin : du monocristal aux nano-objets

Thermo- and Photo-induced switching of spin-crossover molecular solids : from single crystal to nanoparticles

• Auteur / Autrice : Antoine Tissot
• Direction : Marie-Laure Boillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 28/01/2011
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud (Orsay, Essonne ; 2006-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (Orsay, Essonne ; 2006-....) - Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Jean-Jacques Girerd
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Jacques Girerd, Hervé Cailleau, Talal Mallah
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Azzedine Bousseksou, François Varret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photophysique

Magnétisme

Nanoparticules

Mots clés libres

Transition de spin

Photo-commutation

Liesst

Ld-lisc

Nanoparticules

Coopérativité

Composites

Spin-crossover

Photo-switching

Liesst

Ld-lisc

Nanoparticles

Cooperativity

Composites

Résumé

Ce travail de thèse est consacré à l’élaboration de composés à transition de spin et l’étude de leurs propriétés induites par irradiation lumineuse ou par une variation de la température. L’induction à l’état solide de la transition de spin par la lumière, via les effets appelés Light-Induced Excited Spin State Trapping (LIESST) et Ligand Driven Light-Induced Spin Change (LD-LISC)) a été étudiée. La préparation de nanoparticules et leur mise en forme ont été ensuite développées à partir de composés à transition de spin de nature moléculaire, puis leurs propriétés de commutation ont été examinées. Deux familles de matériaux aux propriétés optimisées pour l’étude du mécanisme de photo-conversion par effet LIESST aux temps ultra-courts ont été examinées et les premiers résultats de mesures résolues en temps sont présentés. Par ailleurs, l’étude de l’effet photomagnétique LD-LISC a été menée avec les composés de FeII(stpy)4(NCSe)2 (stpy = 4-styrylpyridine, ligand photo-isomérisable), soit en dispersant les composés dans une matrice polymérique, soit à l’état cristallin. L’influence du milieu sur la photo-réactivité du composé a été démontrée et, dans le solide cristallin, une isomérisation unidirectionnelle du ligand stpy via un mécanisme original mettant en jeu des états excités MLCT a été mise en évidence. Le développement de méthodes originales permettant la préparation de nanoparticules à transition de spin à partir de composés moléculaires a été effectuée. Tout d’abord, la chimie sol-gel a été utilisée afin d’obtenir des nano-objets dispersés dans un film mince de silice. Cette approche élégante a permis un bon contrôle de la taille des objets et l’obtention de solides de bonne qualité optique, dans lesquels une conversion thermo- et photo-induite a été observée avec le composé [FeII(mepy)3tren](PF6)2. Une autre méthode de synthèse, consistant en la précipitation rapide d’objets, éventuellement limitée par la présence de polymère a été appliquée avec succès à l’étude de plusieurs composés moléculaires à transition de spin. Avec le composé [FeIII(3-OMeSalEen)2]PF6, des objets de taille contrôlée ont été synthétisés et, de manière remarquable, un effet, relativement faible, de la réduction de taille sur la coopérativité a été observé. Enfin, l’étude de microcristaux FeII(phen)2(NCS)2, a permis de démontrer de manière indiscutable que la présence de polymère enrobant les objets pouvait influer sur leur transition thermo- et photo-induite en induisant des contraintes au niveau des particules.

This work is devoted to synthesis of spin-crossover compounds and to the study of their thermo- or photo-induced switching. Photo-induced spin-crossover, either by the Light-Induced Excited Spin State Trapping (LIESST) or the Ligand Driven Light-Induced Spin Change (LD-LISC)) effects, has been studied in the solid state. The synthesis of spin-crossover nanoparticles built with compounds of molecular nature and the study of their switching properties has then been examined. The synthesis of optimized materials for the study of the photo-switching mechanism (LIESST effect) at ultrafast timescales has been developed and the first time-resolved measurements are presented. The study of the LD-LISC effect on the FeII(stpy)4(NCSe)2 (stpy = 4-styrylpyridine, photo-isomerizable ligand) complexes has also been performed, either bydispersing the compound in a polymeric matrix, or on the crystalline state. Different photo-induced behaviours have been evidenced, depending on the compound environment. On thecrystalline state, a unidirectional reactivity of the stpy ligand through an original mechanism following the excitation in the MLCT excited states has been evidenced. The synthesis of spin-crossover nanoparticles with compounds of molecular nature has then been performed with two different methods. First, the sol-gel process has been used to obtain well dispersed nanoparticles in a silica thin film. This approach allows the synthesis of size-controlled particles trapped on solids of good optical quality, in which a thermo- and photo-induced spin crossover has been observed with the [FeII(mepy)3tren](PF6)2 compound. Another synthetic method, based on the precipitation in an anti-solvent, has been successfully applied to various spin-crossover complexes. With the [FeIII(3-OMeSalEen)2]PF6 compound, size-controlled particles have been prepared and, interestingly, the size reduction effect on the cooperative processes appears to be limited. Finally, the study of FeII(phen)2(NCS)2 microcrystals has evidenced that the interaction between the polymer and the particles can affect their thermo- and photo-induced spin-crossover processes.