Caractérisation par STM de nanotubes de carbone et graphène fonctionnalisés

STM characterization of functionalized carbon nanotubes and graphene

• Auteur / Autrice : Van Dong Pham
• Direction : Sylvie Rousset
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et interfaces
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie tunnel à balayage

Spectroscopie tunnel

Graphène

Nanotubes

Porphyrines

Surfaces (physique)

Transfert de charge

Mots clés libres

Fonctionnalisation moléculaire

Résumé

Dans cette thèse, nous avons étudié l'interaction entre des molécules organiques et des nanomatériaux de carbone. En utilisant un microscope à effet tunnel (STM) à basse température et sous ultra-vide, nous avons mesuré les propriétés de molécules de porphyrine physisorbées sur du graphène ou des nanotubes de carbone. Nous avons d'abord étudié l'injection d'électrons dans le graphène sur des défauts (joints de grains et atomes d'azote insérés). Une étude d'états image résonants nous a également permis de mettre en évidence une variation locale du travail de sorite dans le graphène dopé. Nous avons ensuite étudié les propriétés de molécules de porphyrine (H2TPP) adsorbées sur une surface Au(111). En utilisant la pointe du microscope nous avons induit des réactions de tautomérisation et de déshydrogénation et montré comment cela modifie les états moléculaires et l'interaction molécule-surface. Nous avons ensuite étudié l'interaction du graphène avec des molécules de porphyrine. Nous avons montré que le couplage électronique est faible entre les molécules et le graphène. Nous avons ensuite montré comment un atome d'azote inséré dans le réseau de carbone du graphène modifie l'interaction molécule-surface. Une diminution de l'énergie des états moléculaires au niveau des sites dopants révèle un transfert de charge partiel entre les sites d'azote et les molécules. Dans la dernière partie, nous avons étudié les propriétés de nanotubes de carbone monoparois fonctionnalisés par un polymère de porphyrine. Les mesures ont révélé que le polymère couvre partiellement les nanotubes. La spectroscopie locale a indiqué que la densité d'états locale est modifiée au niveau du polymère.

In this thesis we studied the interaction between organic molecules and carbon nanomaterials. Using scanning tunneling microscopy (STM) at low temperature and in ultra-high vacuum, we measured the properties of porphyrin molecules at the surface of graphene and single-walled carbon nanotubes. We first studied electron injection in graphene at defect sites (grain boundaries and nitrogen doping atoms). Using image-potential states, we evidenced the variation of local work function in doped graphene. Secondly, we investigated the properties of free-base porphyrin (H2TPP) molecules adsorbed on a Au(111) surface. We performed tip-induced tautomerization and dehydrogenation of the molecules, and revealed how these operations modify the molecular states and molecule-substrate interaction. Following these two preliminary studies, we studied the interaction of graphene with porphyrin molecules. We evidenced a weak electronic coupling between the molecules and graphene. We then showed how a nitrogen dopant on doped graphene can tune the molecule-surface interaction. The comparison between molecules adsorbed on nitrogen doping sites with those adsorbed on carbon sites clearly reveals a downshift of the energy of the molecular states at the doping sites. This downshift reveals a partial electron transfer from the nitrogen sites of graphene to the adsorbed molecules. In the last part of this thesis, we studied the properties of single-walled carbon nanotubes functionalized with a porphyrin polymer. The STM measurements revealed that the polymer is partially covering the nanotubes. Local spectroscopy indicated that the local density of states are modified at the polymer location.