Synthèse sur surface des nanostructures organiques fonctionnelles

On-surface synthesis of functional organic nanostructures

• Auteur / Autrice : Amelia Domínguez Celorrio
• Direction : Véronique Langlais, David Serrate Donoso
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/02/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec Universidad de Zaragoza (Espagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Lionel Salmon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Langlais, David Serrate Donoso, Sylvain Clair
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Amadeo López Vázquez de Parga, Carmen Ocal García

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phtalocyanines

Spectroscopie tunnel

Microscopie tunnel à balayage

Mots clés libres

Microscopie à effect tunnel

Spectroscopie à effet tunnel

Synthèse sur surface

Phtalocyanine

Nanorubans de graphène chiral

Dispositifs d'électronique moléculaire

Scanning tunneling microscopy

Scanning tunneling spectroscopy

On-surface synthesis

Manganese phthalocyanine

Chiral graphene nanoribbons

Molecular electronic devices

Résumé

L'électronique est toujours en quête de miniaturisation des dispositifs électroniques existants pour améliorer leur efficacité. Les coûts de fabrication pour réduire leur taille des circuits à base de silicium en dessous de 10 nm étant aujourd'hui irréalisables pour les entreprises. Pour surmonter cette limitation, d'autres matériaux sont actuellement développés pour fabriquer des circuits électroniques équivalents avec des dimensions plus petites. Dans ce contexte, la synthèse sur surface (OSS) est une technique de fabrication ascendante basée sur la réaction de molécules pour obtenir une structure organique bien définie. La précision atomique de l'OSS permet de créer des molecules organiques fonctionnelles pour les dispositifs d'électronique moléculaire. Les techniques de microscopie à sonde locale sont les techniques de microscopie les plus couramment utilisées pour analyser les structures synthétisées sur la surface. Dans cette thèse, nous présentons la synthèse par OSS et la caractérisation par des techniques de microscopie à effect tunnel (STM) et spectroscopie à effet tunnel (STS) des nanostructures organiques fonctionnelles. La phtalocyanine de manganèse (MnPc) synthétisée comprend dans le cycle phtalocyanine quatre groupements de diaryléthylène (DAE). Le DAE est un groupe optiquement actif. Ce complexe organométallique incluant des groups optiquement actifs et le Mn dans sa structure pourrait fonctionner comme un transducteur magnéto-optique. Nous avons réussi à induire des commutations réversibles avec la pointe STM entre les configurations ouvertes et fermées assignees de la fraction DAE. Les autres structures organiques synthétisées par OSS étudiées dans cette thèse sont des nanorubans de graphène chiral (ch- GNRs) sur Ag(001). En combinant les techniques STM et STS, nous avons étudié l'évolution de la structure électronique des ch-GNRs en fonction de leur largeur et de leur longueur. Enfin, nous avons évalué l'adéquation du système ch-GNR/MgO monocouche/Ag(001) comme transistor moléculaire polarisé en spin.

The improvement of electronic device efficiency is currently based on the miniaturization of existing electronic devices. The manufacturing costs of reducing the size of semiconductor based circuits below 10 nm is unfeasible for companies. To overcome this limitation, other materials are currently being developed to fabricate equivalent electronic circuits with smaller dimensions. In this context, on-surface synthesis (OSS) is a bottom-up manufacturing technique based on the reaction of molecules to achieve a well-defined organic structure. The atomic precision of OSS allows to create functional organic molecules for molecular electronic devices. Scanning probe microscopy techniques are the most common microscopy techniques used to analyze on-surface synthesized structures. In this thesis, we present the synthesis by OSS and characterization by scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) techniques of functional nanostructures. The synthesized manganese phthalocyanine (MnPc) includes in the phthalocyanine ring four diarylethylene moieties (DAE). The DAE moiety is an optically active group. This organo-metallic complex with optically active groups and the Mn in its structure could work as a magneto-optical transducer. We have successfully induced reversible switches with the STM tip between the assigned open and closed configurations of the DAE moiety. The other organic structures synthesized by OSS studied in this thesis are chiral graphene nanoribbons (ch-GNRs) on Ag(001). Combining STM and STS techniques we have studied the evolution of the electronic structure of ch-GNRs depending on their width and length. Furthermore, when the ch-GNRs are relocated on top of MgO monoloayers grown on the same Ag(001) substrate by means of atomic manipulation, a combination of charge transfer and electronic localization gives rise to a critical discretization of the extended edge states. This causes unprecedented long life times of the ribbon's electronic states and spin splitting of the frontier orbitals ascribed to electron-electron correlations. Finally, we have evaluated the suitability of the ch-GNR/MgO monolayer/Ag(001) system as a molecular spin polarized transistor.