Ce mémoire est consacré à la conception et la caractérisation de molécules, matériaux et dispositifs électroniques commutables incorporant le système photochrome diméthyldihydropyrène (DHP) / cyclophanediène (CPD). La première partie est dédiée à la synthèse et à la caractérisation de photochromes originaux basés sur l'unité diméthyldihydropyrène. En particulier, la modification chimique de ce motif par des groupements électroattracteurs de type pyridinium induit une nette amélioration des cinétiques de conversion photoinduites tout en constituant une unité aisément fonctionnalisable. Dans une seconde partie, le motif photochrome est associé à des complexes métalliques dérivés du ligand terpyridine qui confèrent des propriétés rédox à l'architecture moléculaire. Ces assemblages sont mis en œuvre pour la conception de films minces organisés obtenus par auto-assemblage de métallopolymères sur des surfaces solides. Les complexes et les films étudiés possèdent des propriétés photochromes et une activité rédox particulièrement prometteuses pour la conception de matériaux et dispositifs moléculaires multicommutables. Enfin, nous présentons l'étude de la conductance des isomères DHP et CPD. Un dispositif électronique à molécule unique a ainsi été mis en œuvre en utilisant le motif photochrome fonctionnalisé par deux unités pyridine, utilisées comme fonctions d'ancrage dans le dispositif. Il apparaît que l'isomère DHP possède une conductance d'environ quatre ordres de grandeur supérieurs à celle de l'isomère CPD correspondant. Ces deux états peuvent être commutés de manière très reproductible par application de stimulus optiques et thermiques. / This thesis is devoted to the design and characterization of switchable molecular systems (molecules, materials and electronic devices) incorporating the dimethyldihydropyrene / cyclophanediene (DHP/CPD) photochromic couple. The first part deals with the synthesis and characterization of original photochromic molecules based on the dimethyldihydropyrene unit. In particular, the chemical functionalisation of these molecular systems with electron-withdrawal pyridinium groups leads to an improvement of the kinetics of photo-induced conversion while providing an easily functionalizable unit, for example with metal cations complexing units. In the second part, the photochromic core is covalently linked with metal complexes based on terpyridine derivatives, conferring redox-active properties to the molecular architecture. These assemblies are applied for the design of organized thin films obtained by self-assembly of metallopolymers on solid surfaces. The model complexes and films display photochromic properties and redox activity particularly promising for the design of responsive materials and molecular devices. Finally, we present the study of the conductance of the isomers DHP and CPD. A single molecule electronic device in which individual molecules are utilized as active electronic components has been implemented using the photochromic group functionalized with two pyridine units, used as anchoring functions. It appears that the DHP isomer has a conductance of about four orders of magnitude higher than the corresponding isomer CPD. These two states can be switched very reproducibly and reversibly upon application of optical and thermal stimulus.

Cette thèse présente une étude des propriétés électroniques et optoélectroniques de fils moléculaires de polythiophènes uniques par microscopie à effet tunnel (STM). Ces fils moléculaires sont obtenus par une polymérisation sur surface Au(111). Une étude spectroscopique (STS) est réalisée sur les fils adsorbés sur la surface. Cette étude met en évidence un phénomène de confinement électronique pour deux conformations de fils différentes (linéaire et cyclique). Ces molécules uniques sont ensuite suspendues par manipulation entre la pointe et la surface du STM pour obtenir une jonction moléculaire. Les propriétés de transport de cette jonction sont étudiées mettant notamment en évidence l’influence sur la conductance des orbitales moléculaires du fil, et des contraintes mécaniques. Enfin cette thèse présente une expérience inédite d’émission de photons de la jonction. Cette étude permet de détecter la fluorescence d’une molécule unique directement connectée à deux électrodes. / This thesis presents a study on electronic and optoelectronic properties of polythiophene molecular wires by scanning tunneling microscopy (STM). First, molecular wires are synthesized on a Au(111) surface . A spectroscopic study (STS) is realized on these molecular wires adsorbed on the surface. This study shows phenomena of electronic confinement for two different wire conformations (linear and cyclic). Then, by manipulation we manage to suspend a single polythiophenes wire between the tip and the surface of the STM. The transport properties of this molecular junction are investigated. We show that molecular orbitals of the wire are involved in the electronic transport. We observe an influence of the mechanical stress on the conductance, too. Finally, this thesis presents an original experiment of the photon emission of this molecular junction. With this study, we manage to detect the fluorescence of a single molecule directly bridging metallic electrodes.

abstract: Soft materials are matters that can easily deform from their original shapes and structures under thermal or mechanical stresses, and they range across various groups of materials including liquids, foams, gels, colloids, polymers, and biological substances. Although soft materials already have numerous applications with each of their unique characteristics, integrating materials to achieve complementary functionalities is still a growing need for designing advanced applications of complex requirements. This dissertation explores a unique approach of utilizing intermolecular interactions to accomplish not only the multifunctionality from combined materials but also their tailored properties designed for specific tasks. In this work, multifunctional soft materials are explored in two particular directions, ionic liquids (ILs)-based mixtures and interpenetrating polymer network (IPN). First, ILs-based mixtures were studied to develop liquid electrolytes for molecular electronic transducers (MET) in planetary exploration. For space missions, it is challenging to operate any liquid electrolytes in an extremely low-temperature environment. By tuning intermolecular interactions, the results demonstrated a facile method that has successfully overcome the thermal and transport barriers of ILs-based mixtures at extremely low temperatures. Incorporation of both aqueous and organic solvents in ILs-based electrolyte systems with varying types of intermolecular interactions are investigated, respectively, to yield optimized material properties supporting not only MET sensors but also other electrochemical devices with iodide/triiodide redox couple targeting low temperatures. Second, an environmentally responsive hydrogel was synthesized via interpenetrating two crosslinked polymer networks. The intermolecular interactions facilitated by such an IPN structure enables not only an upper critical solution temperature (UCST) transition but also a mechanical enhancement of the hydrogel. The incorporation of functional units validates a positive swelling response to visible light and also further improves the mechanical properties. This studied IPN system can serve as a promising route in developing “smart” hydrogels utilizing visible light as a simple, inexpensive, and remotely controllable stimulus. Over two directions across from ILs to polymeric networks, this work demonstrates an effective strategy of utilizing intermolecular interactions to not only develop multifunctional soft materials for advanced applications but also discover new properties beyond their original boundaries. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Chemical Engineering 2020

Le principal objectif de cette thèse est de montrer le potentiel pour l’électronique organique de films moléculaires minces liés de façon covalente au substrat et déposés par greffage électro- chimique. Ces couches organiques de 5 à 100 nm d’épaisseur visent à proposer une alternative aux films minces organiques d’épaisseur supérieure à 100 nm et aux couches mono-moléculaires autoassemblées d’épaisseur comprise entre 1 et 5 nm.Ce travail a d’abord permis d’établir les conditions optimales de greffage de trois différents sels de diazonium : un dérivé de la tris-bipyridine fer (II), un sel de diazonium comportant une longue chaîne fluorée et un autre comportant une fonction thiol. En particulier, un contrôle fin de l’épaisseur des films est démontré sur des électrodes patternées micrométriques adaptées à la réalisation de dispositifs.L’électrogreffage de doubles couches est ensuite étudié. Il consiste à utiliser une électrode electrogreffée par des molécule électroactives, ici le dérivé de la tris-bipyridine fer (II), comme électrode de travail pour l’électrogreffage d’un second sel de diazonium. Cette technique permet de former des couches organiques d’épaisseur contrôlée par la première couche et présentant des fonctions terminales contrôlées par le choix du second composé (ici, fonctions thiols ou chaînes fluorées). L’intérêt de ces couches fonctionnelles est ensuite évalué dans des jonctions verticales métal-molécules-métal utilisant différents types d’électrodes supérieures : des électrodes imprimées à partir d’une solution de nanoparticules d’or, suivant un procédé élaboré dans cette thèse, et des électrodes fabriquées à partir de métaux évaporés sous vide. Enfin, des transistors à base de MoS2 utilisant 30 nm de ces couches greffées comme diélectrique de grille sont fabriqués et étudiés. Leurs performances (mobilité électronique de 46 cm2.(V.s)-1, rapport ION/IOFF de 9.107, etc.) confirment la qualité de ces isolants organiques électrogreffés. La méthode s’avère ainsi efficace et versatile pour la préparation de couches organiques robustes d’épaisseur contrôlée et aux propriétés de surface ajustables. / The main objective of this PhD thesis is to show the potential for organic electronics of molecular thin films covalently bounded and formed by electrochemical grafting. These 5 to 100 nm thick layers aim to propose an alternative to organic thin films of thickness above 100 nm and to self-assembled monolayers of thickness between 1 and 5 nm.This work first establishes the optimal electrografting conditions of three diazonium salts : a derivative from the tris-bipyridine iron (II), a diazonium salt with a long fluorinated chain and another with a thiol function). In particular, a fine tuning of the thickness of the resulting layers is demonstrated on micrometric patterned electrodes.Double layer electrografting is then studied. It consists in using an electrode electrografted with electroactive molecules, here the tris-bipyridine iron (II) derivative, as a working electrode for the electrografting of a second diazonium salt. This technique allows the formation of organic double-layers of thickness controlled by the first layer and presenting terminal functions controlled by the choice of the second compound (here, thiol functions or fluorinated chains).The potential of these layers is then evaluated in vertical metal-molecules-metal junctions using various top electrodes : electrodes printed from an aqueous gold nanoparticle ink through a method developed in this thesis, and electrodes made by metal evaporation in vacuum. To conclude, field-effect transistors based on MoS2 using these electrografted thin layers as gate-dielectric are fabricated and studied. Their performances (electronic mobility of 46 cm2.(V.s)-1, ION/IOFF ratio of 9.107,etc.) confirm the quality of these organic electrografted insulators. The method is thus efficient and versatile for the preparation of robust organic layers with adjustable surface properties and thickness.

In this thesis I have performed theoretical studies on the reaction dynamics in few-atom molecules. In particular, I have looked at reaction processes in which highly excited resonant states are involved. When highly excited states are formed, the dynamics becomes complicated and approximations normally used in chemical reaction studies are no longer applicable.To calculate the potential energy curve for some of these states as a function of internuclear distance, a combination of structure calculations and scattering calculations have to be performed, and the reaction dynamics on the potentials has been studied using both time-independent and time-dependent methods.The processes that have been studied and which are discussed in this thesis are ion-pair formation in electron recombination with H3+, dissociative recombination and ion-pair formation of HF+, mutual neutralization in H++F- collisions and dissociative recombination of BeH+. Isotope effects in these reactions have also been investigated. Our calculated cross sections are compared with experimentally measured cross sections for these reactions.

<p>Quantum chemical computations provide convenient and effective ways for molecular design using computers. In this dissertation, the molecular designs of optimal nonlinear optical (NLO) materials were investigated through three aspects. First, an inverse molecular design method was developed using a linear combination of atomic potential approach based on a Hückel-like tight-binding framework, and the optimizations of NLO properties were shown to be both efficient and effective. Second, for molecules with large first-hyperpolarizabilities, a new donor-carbon-nanotube paradigm was proposed and analyzed. Third, frequency-dependent first-hyperpolarizabilities were predicted and interpreted based on experimental linear absorption spectra and Thomas-Kuhn sum rules. Finally, molecular interferometers were designed to control charge-transfer using vibrational excitation. In particular, an ab initio vibronic pathway analysis was developed to describe inelastic electron tunneling, and the mechanism of vibronic pathway interferences was explored.</p> / Dissertation

L'objectif de ce travail est de construire des objets moléculaires unidimensionnels et assez longs pour devenir des jonctions moléculaires entre deux nanoélectrodes métalliques insérables dans des nanodispositifs dédiés à ces mesures électriques.Après une étude bibliographique, nous proposons la construction de fils moléculaires solubles à partir d'unités de répétitions adaptées, enchaînées de manière parfaitement définie et contrôlée pouvant atteindre des longueurs élevées, comprises entre 8 et 11,6 nm, pour les plus longs d'entre eux. Trois familles homogènes de fils, basés sur la répétition contrôlée du motif bisthiénylène-1,4-dialkoxyphénylène, ont été élaborées et tous les composés ont été caractérisés en accordant une attention particulière aux propriétés électroniques de ces oligomères. Deux de ces familles de fils proposent des oligomères capables de se lier à des électrodes d'or et la démonstration du greffage des modèles préparés a été réalisée.Afin de faciliter les mesures des propriétés de transport des fils moléculaires, l'élaboration d'un photoswitch moléculaire insérable au sein des fils précédents a été réalisée. Parallèlement, la synthèse efficace de nanoparticules d'or stables et fonctionnalisées de manière adaptée a été faite pour l'évaluation de nos fils 1D au sein de gaps inter-électrodes de 20 nm. Pour de meilleures propriétés de transport, un travail prospectif sur des enchaînements conjugués, incluant des motifs à faible bande interdite, a été réalisé en s'appuyant sur une évaluation préalable des propriétés électroniques des structures par des calculs théoriques. La synthèse des cibles a été réalisée et leurs propriétés électroniques expérimentales ont été confrontées aux prédictions théoriques. / This work aims at building 1D and long enough molecular objects in order to become molecular junctions between two metallic nanoelectrodes which can be implemented in nanodevices dedicated to electrical measurements.After a bibliographic study, soluble molecular nanowires building is proposed from suitable repeating units, in well-defined and controlled sequences which can reach high lengths between 8 and 11.6 nm, for the longest of them. Three homogeneous families of wires, based on the bisthienylene 1,4- dialkoxyphenylene repeating unit, have been built and all the compounds have been fully characterized, focusing to the electronic properties of these oligomers. Two of these wires families are made of oligomers bearing adapted anchoring groups to gold electrodes and the capability of these prepared targets anchoring properties have been demonstrated.In order to make molecular wires transport properties easier, a molecular photoswitch has been designed in order to be easily included inside the precedent nanowires. At the same time, an efficient synthesis of stable gold nanoparticles which are suitably functionalized has been realized in order to value our 1D wires in 20 nm wide inter-electrodes nanogaps.For better transport properties, a prospective work about including low band gap moieties conjugated sequences has been realized from a preliminary theoretical valuation of electronic properties of the structures. The synthesis has been achieved and experimental electronic properties have been faced and compared to theoretical predictions.

L’objet de cette étude est d’utiliser la technique des micelles inverses pour synthétiser des nanoparticules à transition de spin, de taille et de forme contrôlées afin d’en permettre l’utilisation en électronique moléculaire. Dans la première partie, nous avons déterminé les paramètres de synthèse influençant la taille et la forme des particules d’un complexe à transition de spin à fort potentiel d’application. Dans un deuxième temps, nous avons utilisé ces paramètres sur trois autres complexes afin de comprendre la relation entre les paramètres de la synthèse et la morphologie des particules. Les nanoparticules ainsi synthétisées constituent la base d’une discussion sur l’existence d’un lien entre la taille/forme des particules et les propriétés de transition de spin. Enfin, la dernière partie de ce travail est consacrée à l’utilisation de ces matériaux en électronique moléculaire, et l’observation des propriétés de photoconductivité et photovoltaïque à l’échelle des nanoparticules. / The aim of this project is to use the reverse micelles technique to synthesize spin crossover (SCO) nanoparticles with controlled size and shape in order to use them in molecular electronic applications. In the first part, we have determined the synthesis parameters that influence the particles size and shape of an attractive spin crossover complex, due to his potential application. In a second time, we used the determined parameters on three other SCO complexes to generalize the relationship between the synthesis parameters and the particles morphology. All the as-prepared nanoparticles are the basis of a discussion about the existence of a link between the size and/or shape of the particles and the SCO properties. The last part of this work is dedicated to the utilization of this materials in molecular electronic, and the observation of photovoltaic and photoconductive properties at the nanoparticles scale.

Ce travail de thèse propose de réaliser un nanofil électrique auto-assemblé constitué de protéines. L'unité de base de ce nanofil est une protéine chimère comprenant un domaine capable de former des fibres amyloïdes (Het-s 218-289) et un domaine capable d'effectuer des transferts d'électrons (une rubrédoxine). Le premier domaine permet la réalisation d'une fibre par auto-assemblage tandis que le deuxième est exposé à la surface de cette structure. Les caractéristiques redox du domaine exposé permettent aux électrons de se déplacer d'un bout à l'autre de la fibre par sauts successifs. Un tel nanofil a été créé et caractérisé par différentes techniques biophysiques. Ensuite, la preuve de la conduction des nanofils a été apportée sur des ensembles d'objets, de manière indirecte par électrochimie, et de manière directe par des mesures tension/courant. Ces travaux ouvrent la voie à la réalisation d'objets biocompatibles, biodégradables, possédant des propriétés électroniques exploitables dans des dispositifs technologiques. / The research described in this thesis aims at creating a self-assembled nanowire only made of proteins. The building block of this wire is a chimeric protein that comprises an amyloid fibril forming domain (Het-s 218-289) and an electron transfer domain (rubredoxin). The first one self-assembles in amyloid fibrils which display the second at their surface. Redox characteristics of the exposed domain allow electrons to move from one extremity of the fibril to the other by successive jumps. Such a nanowire has been created and characterized by various biophysical experiments. Then, the conductivity of the nanowires has been demonstrated on sets of wires by electrochemistry and by direct current measurements. These experiments pave the way for future design of biocompatible and biodegradable objects that possess usable electronic properties.

La complexation de l'arénophile à un ligand naphtalène substitué sur un seul noyau par un ou deux groupe triméthylsilyléthynyle conduit à la formation des deux régio-isomères A (arénophile coordiné au cycle substitué) et B (arénophile lié au cycle libre). L'isomère A est le produit cinétique et l'isomère B le produit thermodynamique de la réaction. La substitution du groupe trimétylsilyle par le fragment organométallique électro-actif permet d'étudier l'isomérisation A B . La migration haptotropique électro-induite, réalisée à 20 °C, est quasi quantitative . Elle résulte de l'activation de la liaison Ru provoquée par l'oxydation mono-électronique du centre redox organofer en présence d'un solvant coordinant . La synthèse du complexe ortho disubstitué, stériquement très encombré, et de ses dérivés mono- et di-oxydés a été effectuée avec succès. L'espèce mono-oxydée qui possède un couplage électronique fort est un dérivé à valence mixte de classe II B, à la limite entre les classes II et III. Les complexes tétranucléaires ont également été synthétisés et caractérisés par différentes techniques incluant notamment la radiocristallographie. Ces composés présentent des interactions électroniques à la fois en ortho, meta et para, générant de nouvelles propriétés qui pourraient s'avérer totalement inédites dans le domaine de l'électronique moléculaire. Finalement, une nouvelle famille de composés hybrides organiques inorganiques trans- a aussi été préparée (TTF = tétrathiafulvalène; n = 0-3). Le dérivé mono-oxydé est un composé à valence mixte de classe II. Le transfert d'électron intramoléculaire peut se faire selon un mécanisme par effet tunnel et par un mécanisme multi-étape par sauts entre les centres redox inorganiques et organiques. / The complexation of the arenophile to a naphthalene ligand bearing one or two trimethylsilylethynyle group gives the two regioisomers A (arenophile coordinated to the substituted ring) and B (arenophile coordinated to the free cycle). Isomer A is the kinetic product and isomer B is the thermodynamic product of the reaction. The substitution of the trimethylsilyl group by the electroactive organometallic fragment allows to control the isomerization from A to B. The electro induced haptotropic migration, performed at 20 ° C, is almost quantitative, and results from the activation of the Ru bond induced by the one-electron oxidation of the organoiron redox center in the presence of a coordinating solvent. The synthesis of the sterically constraint ortho disubstituted complex, and its mono and di-oxidized forms were successfully achieved. The mono-oxidized species that shows a strong electronic coupling is a Class-II B mixed valence compound. The tetranuclear complexes were also prepared and characterized by various methods including X-ray crystallography. These compounds exhibit electronic interactions in the ortho, meta and para positions, generating new properties that could be of great interest in the field of molecular electronics. Finally, a new family of organic-inorganic hybrids trans- has also been prepared (TTF = tetrathiafulvalene; n = 0-3). The mono-oxidized complex (n = 1) is a Class-II mixed-valence compound in which the spin density varies with the respective orientation of the metal termini. Intramolecular electron transfer occurs through single-step tunneling and multiple-step hopping mechanisms.