Interactions faibles dans les nanosystèmes carbones

par Abu Yaya

Thèse de doctorat en Physique de Matériaux, Nanomatériaux et nanotechnologie

Sous la direction de Christopher Ewels.

Soutenue en 2011

à Nantes , en partenariat avec Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques (autre partenaire) .


  • Résumé

    This thesis uses the ab initio density functional modeling programme AIMPRO to study several important examples of weak intermolecular interactions in carbon nanomaterials. At the quantum mechanical level, our calculations give a reliable and improved understanding of the role and feature of weak intermolecular interactions, which cannot be accurately predicted by conventional methods such as classical interatomic potentials. First, the geometry and binding of bromine physisorbed on carbon nanomaterials (graphene, graphite and single walled nanotubes) is studied. In graphene, we find a new Br2 form which is reported for the first time in this thesis, where the molecule sits perpendicular to the graphene sheet with an extremely strong molecular dipole. Bromination opens a small (86- meV) band gap and strongly dopes the graphene. In graphite Br2 is stable parallel to the carbon layers with less charge transfer and no molecular dipole. At higher Br2 concentrations polybromide chain structures are thermodynamically favoured, but will not occur spontaneously due to an appreciable formation barrier (27. 01 kJ/mol). For single walled nanotubes Br2 lies perpendicular to the tube surface similar to graphene, while in bundles Br2 intercalates similar to graphite. Experimental Raman spectra are recorded to verify this result. We next study π-π stacking interactions between benzene and PPV oligomer chains with various carbon nanomaterials. For the benzene dimer we successfully reproduce high level theory stable structures, and for benzene on graphene and SWCNTs, the stacking arrangement matches AB- stacking in graphite. The orientation of the interaction between PPV/PPV is different from PPV/nanotube or PPV/graphene. In the former the molecular planes are orthogonal, similar to the crystal packing in PPV, as well as in other polyaromatic hydrocarbons. In the others the PPV plane lies (axially) parallel to the substrates, attributed to π-π stacking effects. Wavefunction analysis suggests very little electronic coupling between the PPV and SWCNTs near to the Fermi level. Predicted differences in interaction between PPV and semi-conducting or metallic tubes suggest a new route to experimental ultraefficient composite PPV-SWCNT organic light emitting device design.

  • Titre traduit

    Weak interactions in carbon nanosystems


  • Résumé

    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.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (151 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Références biblio

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  • Bibliothèque : Université de Nantes. Service commun de la documentation. BU Sciences.
  • Disponible pour le PEB
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