Etude théorique des mécanismes mis en jeu lors de la formation de monocouches auto-assemblées de molécules éléctroactives sur la surface de l'or Au(111)

par Karima Lassoued

Thèse de doctorat en Chimie-Physique

Le président du jury était Kehna Abdelmoula.

Le jury était composé de Alexis Markovits, Monica Calatayud, Fayçal Raouafi.

Les rapporteurs étaient Xavier Bouju, Noureddine Raouafi.


  • Résumé

    Dans le but de développer des matériaux et des dispositifs avec de nouvelles propriétés, l’élaboration de monocouches auto-assemblées (SAM) est un sujet d'intérêt croissant dans le domaine des nanosciences. Les SAM sont des agrégats bidimensionnels formés par des molécules régulièrement espacées sur une surface et liées entre elles par des forces non covalentes. Le domaine des biocapteurs électrochimiques pour la reconnaissance des brins d'ADN est parmi les applications les plus récentes des SAM. Dans ce cadre, nous avons mené une étude théorique des mécanismes fondamentaux engagés lors de l’adsorption de la molécule quinone Jug-C4-thiol sur la surface Au (111). Les résultats ont été confrontés aux mesures expérimentales accessibles réalisées par l’équipe « nano 2D » au laboratoire ITODYS (Université Paris7). Tout d’abord, la théorie de la fonctionnelle de la densité PBE et PBE-D2 a été utilisée pour étudier les mécanismes mis en jeu (physisorption ou chimisorption) lors de l’adsorption de la molécule isolée à la surface de Au (111) et déterminer le site le plus favorable pour chaque mécanisme. La nature de la liaison entre la molécule et la surface de a été finement analysée à l’aide de calculs de densité d’états (DOS) et de différences de densités de charge. Ensuite, l'assemblage de la molécule quinone Jug-C4-thiol sur la surface Au (111) a été étudié. Cet assemblage des molécules a été initié par la formation de configurations de dimère à travers la formation de liaisons intermoléculaires (liaison hydrogène et π-stacking, …). Les spectres infrarouges des configurations les plus stables ont été simulés et confrontés à l’expérience. Et enfin, le mécanisme d’échange entre des molécules « hôtes » (alcanethiols C12H25SH préalablement assemblés sur la surface) et « invitées » (Jug-C4-thiols) a été exploré avec les outils théoriques. L’analyse des résultats a mis en évidence des informations structurales et énergétiques importantes sur la formation de la monocouche moléculaire mixte.

  • Titre traduit

    Theoretical study of the mechanisms involved in the formation of self-assembled monolayers of electroactive molecules on the surface of Au (111)


  • Résumé

    In order to develop materials and devices with new properties, the development of self- In order to develop materials and devices with new properties, the development of self-assembled monolayers (SAM) is a topic of growing interest in the field of nanoscience. SAM are two-dimensional aggregates formed by molecules regularly spaced on a surface and bonded together by non-covalent forces. The field of electrochemical biosensors for DNA strand recognition is among the most recent applications of SAM. In this context, we conducted a theoretical study of the fundamental mechanisms involved in the adsorption of the quinone Jug-C4-thiol molecule on the Au (111) surface. The results were compared to the accessible experimental measurements from the "nano 2D" team at the ITODYS laboratory (Paris 7 University). First, the density functional theory at PBE and PBE-D2 levels was used to study the mechanisms involved (physisorption or chemisorption) during the adsorption of the isolated molecule on the surface of Au (111) and access to the most favorable site for each mechanism. The nature of the binding between the molecule and the surface was finely analyzed using density of states (DOS) calculations and differences in charge densities.Then, the assembly of the quinone Jug-C4-thiol molecule on the Au (111) surface was studied. This assembly of molecules was initiated by the formation of dimer configurations through the formation of intermolecular bonds (hydrogen bonding and π-stacking, etc.). The infrared spectra of the most stable configurations were simulated and compared with the experiment. And finally, the mechanism of exchange between "host" molecules (C12H25SH alkanethiols previously assembled on the surface) and "invited" molecules (Jug-C4-thiols) was explored with the theoretical tools. The analysis of the results revealed important structural and energetic informations on the formation of the mixed molecular monolayer.

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