Microscopie et spectroscopie à effet tunnel, Graphène, Phosphore noir, F4TCNQ, Porphyrine, Tautomérisation, Physisorption

La combinaison de matériaux de basses dimensions et de molécules organiques ouvre des opportunités pour réaliser de nouvelles fonctionnalités. Les dispositifs moléculaires ont fait l'objet d'une attention particulière pour réaliser des composants de taille nanométrique. Les matériaux bidimensionnels, le graphène en particulier, possèdent des propriétés physiques remarquables qui les rendent très prometteurs pour des applications dans divers domaines. Les molécules peuvent être conçues pour avoir les propriétés chimiques souhaitées, et les propriétés du graphène peuvent être modifiées par exemple par dopage substitutionnel. Ce double contrôle, des molécules, et des matériaux bidimensionnels, offre de formidables opportunités pour de nouvelles applications et donnent accès à une variété importante de phénomènes qui peuvent être observés à l'échelle nanométrique.Dans cette thèse, nous avons étudié l'interaction de molécules organiques avec du graphène par microscopie à effet tunnel (STM) et spectroscopie à basse température. Nous avons étudié des molécules de type électroaccepteur (F4TCNQ) et électrodoneur (porphyrine). Nous avons également étudié les propriétés de surface du phosphore noir et son interaction avec les F4TCNQ. Les trois parties de la thèse traitent de l'interaction des molécules sur le graphène et le phosphore noir.Dans la première partie, nous avons étudié des molécules de porphyrine (H2TPP) sur du graphène pur et dopé par de l'azote. Ces molécules forment un réseau 2D. Nous nous sommes concentrés sur la dynamique du mécanisme de migration des atomes d'hydrogène (tautomérisation) au centre de la molécule. La porphyrine peut adopter deux états en fonction de la position des deux atomes d'hydrogène au centre de la molécule. Ces états sont caractérisés par des contrastes brillant ou sombre dans les images STM. L'évolution temporelle du courant tunnel enregistré au-dessus d'une molécule révèle un basculement réversible entre deux états conduisant à un signal de type bruit de télégraphe. L'étude de la dépendance de la fréquence d'excitation en fonction du courant et de la tension montre que le processus d'excitation est résonant, à la différence du processus inélastique décrit pour la tautomérisation sur des substrats métalliques.Dans la seconde partie, l'interaction de molécules F4TCNQ de type accepteur avec le graphène pur et le graphène dopé par de l'azote a été étudiée. L'organisation de ces molécules sur du graphène pur est influencée par des forces répulsives inter-moléculaires et un couplage faible avec le substrat de graphène. En fonction de la concentration de molécules, elles s'organisent en chaînes isolées, linéaires et en double couche. La présence d'une monocouche 2D a été observée dans le cas du graphène dopé à l'azote. Les caractéristiques spectrales sur les molécules montrent des pics de charge / décharge qui changent en fonction de l'environnement local.Dans la dernière partie, nous avons étudié les propriétés de surface du phosphore noir (BP) et le comportement des molécules F4TCNQ adsorbées. Le BP est étudié depuis quelques années comme nouveau matériau 2D pour des applications dans divers domaines comme l'électroniques et l'optoélectronique. Nous avons d'abord étudié les propriétés intrinsèques du matériau, en particulier les défauts originellement présents à la surface. Les mesures de spectroscopie montrent que certains défauts peuvent être manipulés pour évoluer vers un type de défaut plus stable. Bien que les défauts n'interagissent pas avec les molécules F4TCNQ, les atomes de phosphore constituent un site d'adsorption approprié grâce à une paire d'électrons célibataires. Dans ce système, les molécules peuvent être activées par une impulsion de tension avec la pointe pour passer dans un état pouvant diffuser sur le substrat sous l'influence de la pointe du STM. Avec plusieurs caractéristiques uniques, le BP offre donc un nouveau substrat prometteur pour l'électronique moléculaire