Propriétés électroniques du graphène fonctionnalisé par des assemblages moléculaires bidimensionnels

Electronic Properties of Graphene Functionalized with 2D Molecular Assemblies

• Auteur / Autrice : Mali Zhao
• Direction : Andrew J. Mayne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 13/01/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences moléculaires d'Orsay (2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Guéron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrew J. Mayne, Sophie Guéron, Mathieu Abel, Xavier Bouju, Olivier Pluchery
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathieu Abel, Xavier Bouju

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phtalocyanines

Propriétés électroniques

Porphyrines

Autoassemblage

Graphène

Mots clés libres

Graphène

Assemblages moléculaires bidimensionnels

Propriétés électroniques

Graphene

2D molecular assemblies

Electronic properties

Résumé

Le graphène a des propriétés électroniques et mécaniques extraordinaires en raison de sa structure de bande linéaire. Toutefois, l'absence d’une bande interdite limite l’utilisation du graphène dans les dispositifs électroniques. Ajuster la bande interdite de graphène permettrait un contrôle précis des porteurs de charge. Une solution prometteuse consiste à modifier le graphène par des briques élémentaires de molécules organiques. Les molécules organiques avec un ion métallique (métal-porphyrine et métal-phtalocyanine) sont des candidats potentiels en raison de leur structure robuste et de leurs propriétés de charge et de spin qui peuvent être modulées. Dans cette thèse, le graphène a été préparé par la sublimation d’atomes de Si sur les faces de Si et de C- du substrat SiC. Trois molécules qui transportent l'information de spin différents ont été étudiés avec le STM. A travers des collaborateurs les calculs DFT, nous apporte des informations complémentaires. La première molécule utilisée dans notre expérience est la phtalocyanine de Ni (NiPc). L'ion Ni²⁺ a une configuration d'électrons 3d⁸ avec au état de spin de 0. La seconde molécule est la tétraphénylporphyrine de Pt (PtTPP (CO₂Me)₄). L'ion Pt²⁺ montre également une configuration d'électrons 3d8 à un état de spin de zéro. Cependant, l'atome Pt est plus lourd que celui du Ni. Promettant des effets spin orbite plus importants. La troisième molécule est tétraphénylporphyrine de fer (III) chlorure (FeTPPCl). Le Fe³⁺ est dans l'état haut spin (S = 5/2). Chacune de ces trois molécules forment un réseau moléculaire carré bien ordonné sur le graphène. Les directions de réseau moléculaires sont dominées par la symétrie du graphène, tandis que les orientations moléculaires dépendent des interactions inter moléculaires. Les couplages électroniques entre chaque molécule et le graphène sont transmis par la force de Van der Waals, qui donne lieu à des interfaces capacitifs entre la couche de graphène et les molécules. Les interactions électroniques entre les molécules FeTPP et graphène sont plus fortes que celles entre NiPc ou PtTPP et le graphène. Les études des molécules organiques avec adsorbées sur le graphène des spins différents a le potentiel d’ouvrir la voie à l'application de l'interface organométallique molécules/ graphène dans les dispositifs de spintronique.

Graphene has extraordinary properties because of its linear band structure and zero band gap. However, the lack of a band gap hinders the implementation of graphene in electronics; tuning the band gap of graphene would enable a precise control of the charge carriers. One of the promising solutions is to modify graphene with organic molecular building blocks. Organic molecules with a metal ion (metal- porphyrin, metal- phthalocyanine) are potential candidates, because of their robust structure and the fact that their charge and spin properties can be tuned. In this thesis, graphene was prepared by sublimating Si atoms from both Si and C- terminated SiC substrates. Three molecules which carry different spin information were studied by STM experiments. Through collaborations, DFT calculations were used to improve our understanding of the molecule- graphene interaction.The first molecule used in our experiment is Ni- phthalocyanine (NiPc). The Ni²⁺ ion has a 3d⁸ electron configuration, giving a spin- state of 0. The second molecule is Pt- tetraphenylporphyrin (PtTPP(CO₂Me)₄). The Pt²⁺ ion also shows a d8 electron configuration with a spin state of zero. However, the Pt atom is heavier than Ni, which should increase the spin- orbit effects. The third molecule is tetraphenylporphyrin iron(III) chloride (Fe(TPP)Cl). The Fe³⁺ in Fe(TPP)Cl is stable in the high spin state (S=5/2). These three molecules each form well- ordered nearly square lattice molecular networks on graphene. The molecular lattice directions are dominated by the graphene symmetry, while the molecular orientations depend on the molecule- molecule interactions. The electronic couplings between each of three molecules and graphene are via the Van der Waals forces, which gives rise to the capacitive molecular- layer/ graphene interfaces. The electronic interactions between FeTPP molecules and graphene are stronger than those between NiPc or PtTPP molecules and graphene. The studies of the organic molecules with different spin information on the graphene has the potential to pave the way for the application of organometallic molecules/graphene interface in spintronic devices.