Structure and Electronic Properties of Phthalocyanine Films on Metal and Semiconductor Substrates

par Ieva Bidermane

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Carla Puglia et de Nadine Witkowski.

Soutenue le 14-03-2014

à Paris 6 en cotutelle avec l'Uppsala universitet , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) .

Le jury était composé de À renseigner Borg, À renseigner Fahlman, À renseigner Shukla, À renseigner Giovanelli, À renseigner Ressel, À renseigner Rubensson, À renseigner Puglia, À renseigner Witkowski.

  • Titre traduit

    Structure et propriétés électroniques de films phthalocyanine sur Substrats métalliques et Semi-conducteurs


  • Résumé

    Cette thèse présente des résultats originaux sur les phtalocyanines (Pc), un groupe de molécules d'inspiration biologique. En raison de l'utilisation grandissante de films moléculaires de phtalocyanine dans des dispositifs ayant des applications technologiques variées, de nombreuses études ont été consacrées à ces molécules au cours des dernières décennies.Les spectroscopies de photoélectron sur les niveaux de c¿ur ou de valence (PES), la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) et la microscopie à effet tunnel (STM) ont été utilisées pour étudier ces molécules en phase gazeuse et adsorbées sur l'or Au (111) et le silicium Si (100)-2x1 . Des calculs théoriques utilisant la fonctionnelle de la densité (DFT) sont utilisés pour obtenir des informations complémentaires sur leur structure électronique. Le but de nos études est d'obtenir une meilleure compréhension des interactions molécule - molécule et molécule - surface, pour améliorer les dispositifs à base de phtalocyanine.Grâce à des calculs DFT et des mesures PSE en phase gazeuse, il a été possible de mettre en évidence l'influence de l'ion métallique sur la bande de valence. Ainsi FePc présente les états 2p du carbone alors que ce sont les états 3d du manganèse qui dominent pour MnPc. Les études PES et STM sur H2Pc et LuPc2 déposés sur Au (111) ont révélé la formation de monocouche et de bicouche respectivement. La comparaison entre l'adsorption de LuPc2 sur Si(100) nu ou passivé a confirmé la différence de réactivité sur ces deux surfaces : sur Si passivé, LuPc2 conserve un caractère moléculaire, en revanche sur Si nu, une interaction importante est mise en évidence.


  • Résumé

    The thesis presents fundamental studies of phthalocyanines (Pc), a group of organic macro-cycle molecules, similar to systems found in nature. The use of phthalocyanine molecular films in devices with a variety of possible technological applications has been the reason of the many studies during the last decades. Core and valence photoelectron spectroscopies (PES), X-ray absorption spectroscopy (XAS) and scanning tunneling microscopy (STM) techniques are used to study Pc molecules in gas phase and adsorbed on gold Au(111) and silicon Si(100)-2x1 substrates. Density function theory (DFT) is used to obtain further insights in the electronic structure of the phthalocyanines.We aim to obtain a deeper understanding of the molecule-molecule and molecule-substrate interactions, a fundamental requirement for improving devices based on organic materials. Gas phase PES experiments and DFT calculations performed on different Pcs show the influence of the metal atom on the valence band spectra, where FePc and H2Pc HOMO is formed from C2p states, whereas MnPc has mainly Mn3d character.PES and STM studies of H2Pc and LuPc2 on Au(111) show a formation of a monolayer for H2Pc and a bi-layer of LuPc2 at lower thicknesses. XAS studies show a parallel to surface orientation of both H2Pc and LuPc2 with a change in tilt angle of the molecules with increasing thickness.A comparison of LuPc2 adsorbed on pristine and passivated Si surfaces show a bulk-like LuPc2 character on passivated Si, whereas a surface induced difference in adsorption geometry is evidenced on pristine Si and two energetically different adsorption geometries are proposed.

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