De la molécule unique au tapis supramoléculaire sur surface de silicium passivée : Simulations numériques à l'échelle atomique

par Khaoula Boukari

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Philippe Sonnet.

Soutenue le 20-09-2013

à Mulhouse , dans le cadre de École doctorale pluridisciplinaire Jean-Henri Lambert, ED 494 (Mulhouse) , en partenariat avec Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (laboratoire) .


  • Résumé

    Ma thèse porte sur l’étude par simulations numériques à l’échelle atomique de l’adsorption de molécules uniques et d’auto-assemblages moléculaires sur la surface de silicium Si(111) dopée bore notée Si(111) (√(3 ) x√3)R30°-B. Après un premier chapitre de présentation des méthodes de calcul, puis un chapitre consacré à la surface Si(111)-B, la thèse se divise en deux grandes parties : l’une concernant l’adsorption de molécules uniques et l’autre consacrée à l’adsorption de tapis moléculaire.La première partie concerne l’adsorption de molécules uniques sur la surface de Si(111) (√(3 ) x√3)R30°-B. Nous avons plus particulièrement étudié trois molécules présentant des mécanismes d’adsorption différents : la molécule de pyridile-azobenzène, une molécule de la famille des porphyrines (Cu-TBPP) et deux molécules appartenant à la famille des phtalocyanines (H2Pc et CuPc). Dans chaque étude, nous avons effectué une étude énergétique, structurale et électronique. Dans la plupart des cas, nous avons complété l’étude par un calcul d’image STM pour comparer avec les résultats expérimentaux. A partir de cette étude, nous avons montré que les molécules interagissent différemment avec la surface via des interactions électrostatiques, des liaisons datives, des liaisons ioniques et un mécanisme de cycloaddition. La deuxième partie de la thèse est dédiée à l’étude de l’auto-assemblage de molécules organiques sur la surface Si(111) (√(3 ) x√3)R30°-B. L’auto-assemblage moléculaire est une technique permettant la fabrication d’architectures hautement organisées à l’échelle atomique. Nous avons étudié trois molécules différentes formant un auto-assemblage sur la surface de Si(111)-B : 1,3,5-tri(4-bromophényle benzène) notée TBB, 1,3,5-tri(4-iodophényle benzène) notée TIB et 1,3,5-triphenylbenzene notée THB. Comme la formation d’un réseau auto-organisé est la conséquence d’un équilibre entre les interactions molécule-molécule et molécules-substrat, nous avons évalué les énergies d’interaction mises en jeu en utilisant différentes approximations (LDA, GGA et GGA+D). Nous avons étudié, ensuite, les propriétés électroniques de ces assemblages par le calcul des densités d’états projetées, de la différence de la densité de charge, du Laplacien de la charge ou de la fonction ELF. Afin de comparer nos résultats avec les résultats expérimentaux, nous avons effectué un calcul d’image STM en utilisant deux approches : l’approche de Tersoff-Hamann et l’approche multidiffusion proposée par le code bSKAN. Dans une dernière étape, nous avons étudié la recroissance de molécules de fullerène C60 sur le réseau auto-organisé de molécules de TBB déposées sur la surface Si(111) (√(3 ) x√3)R30° -B. Nous avons effectué une étude énergétique des molécules de C60 qui se déposent préférentiellement dans les nanopores de forme hexagonale en accord avec les expériences STM.

  • Titre traduit

    From the single molecule to supramolecular network on passivated silicon surface : Numerical simulations at the atomic scale


  • Résumé

    My thesis presents the study of the adsorption of single molecules and molecular self-assembly, by numerical simulations at the atomic scale, on a boron doped silicon surface denoted Si(111)(√(3 ) x√3)R30°-B. After presenting the calculation methods and describing the surface model, this thesis is made of two parts: the first one is about the adsorption of single molecules and the second one is devoted to the formation of supramolecular network. In the first part, I studied the adsorption of single molecules on the silicon surface doped boron Si (111)(√(3 ) x√3)R30°-B. I have investigated the adsorption mechanisms of three different molecules: a molecule of pyridyl-azobenzene, a molecule of the family of porphyrin (Cu-TBBP) and two molecules which belong to the family of phtalocyanine (H2Pc and CuPc). For every molecule, I conducted energetic, structural and electronic studies. In most of the cases, I completed this work by calculating STM images in order to compare with experimental results. The second part of this thesis deals with the study of self assembly of organic molecules on the surface of Si(111)(√(3 ) x√3)R30°-B. Molecular self assembly is a technique which allows the formation of highly organized architectures at the atomic scale. I have studied three different molecules forming self assembly on the surface of Si (111)(√(3 ) x√3)R30°-B : 1,3,5-tri(4-bromophenyl benzene) denoted TBB, 1,3,5-tri(4-iodophenyle benzene) denoted TIB et 1,3,5-triphenylbenzene denoted THB. As the formation of a self organized network is a result of equilibrium between molecule-molecule interaction and molecule-substrate one, I have evaluated the interaction energies by using different approximations (LDA, GGA and GGA+D). Then, I have studied the electronic properties of these assemblies by calculating the projected density of states, the charge difference and the Laplacien of the charge or the ELF function (Electronic Localization Function). In order to compare our results with experimental ones, STM images calculations were performed by using two different approaches: the approach of Tersoff-Hamann and the multi-scattering approach proposed by bSKAN code. Finally, I have studied the growth of C60 molecules on the self organized network formed by the TBB molecules deposited on the Si (111)(√(3 ) x√3)R30°-B surface. The energetic study shows that C60 molecules are adsorbed preferentially in the hexagonal nanopores in agreement with the STM observations.


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Informations

  • Sous le titre : De la molécule unique au tapis supramoléculaire sur surface de silicium passivée : Simulations numériques à l'échelle atomique
  • Détails : 1 vol. (199 p.)
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