Étude et contrôle de l'interaction entre molécules et matériaux bi-dimensionnels par microscopie à effet tunnel

Study and control of the interaction between two-dimensional materials and molecules by scanning tunneling microscopy

• Auteur / Autrice : Mehdi Bouatou
• Direction : Jérôme Lagoute
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/11/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Masson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Masson, Laurent Limot, David Martrou, Damien Riedel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Limot, David Martrou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commutateurs moléculaires

Transfert de charge

Composés macrocycliques

Propriétés électroniques

Molécules

Spectroscopie tunnel

Microscopie tunnel à balayage

Mots clés libres

Matériaux 2D

Scanning tunneling microscopy

2D materials

Molecules

Charge transfer

Molecular switch

Résumé

Dans cette thèse, nous étudions les propriétés de molécules sur des matériaux bidimensionnels (2D) par microscopie et spectroscopie à effet tunnel à basse température. Nous nous concentrons sur les molécules macrocycliques (porphyrine et phtalocyanine) déposées sur graphène ou phosphore noir. Nous étudions l'interaction électronique qui se produit à l'interface conduisant au transfert de charge, réaction d'oxydoréduction, et à la reconfiguration des états électroniques d'une molécule. Nous abordons également la question de l'auto-assemblage de molécules de porphyrine sur phosphore noir. Afin de montrer la spécificité des matériaux 2D, nous comparons ces effets avec le cas de molécules sur un substrat métallique 3D, Au(111), qui est pris comme substrat de référence pour les matériaux massifs. Nous montrons d'abord comment un moment dipolaire électrique d'un commutateur moléculaire se comporte entre des surfaces de graphène et d'Au(111). Ensuite, nous montrons comment les états électroniques d'une molécule avec un métal de transition en son centre évoluent entre le graphène, le phosphore noir et Au(111). Enfin, nous montrons comment la fonctionnalisation d'un matériau 2D, à savoir le dopage à l'azote du graphène, peut être utilisé pour contrôler le transfert de charge molécule-substrat et induire une réaction d'oxydoréduction locale.

In this thesis, we study the properties of molecules on two-dimensional (2D) materials using scanning tunneling microscopy and spectroscopy at low temperature. We focus on macrocyclic molecules (porphyrin and phthalocyanine) on graphene or black phosphorus. We investigate the electronic interaction that occurs at the interface leading to charge transfer, redox reaction, and electronic reconfiguration. We also address the question of the interplay between electronic interaction and the force driving molecular self-assembly. In order to enlighten the specificity of 2D materials, we compare these effects with the case of molecules on a 3D metallic substrate, Au(111), that is taken as a reference substrate for bulk materials. We show first how an electric dipole moment of a molecular switch behaves between graphene and Au(111) surfaces. Then we show how d-shell electrons of a molecule with transition metal at its center evolve between graphene, black phosphorus, and gold. Finally, we show how the functionalization of graphene, namely nitrogen doping of graphene, can be used to control the charge transfer between molecules and graphene and to induce a local redox reaction.