Nous présentons l'auto-assemblage 2D de molécules Donneuses (D) et Acceptrices (A) d'électrons sur Au(111), ainsi que leur étude par un dispositif de Microscopie à Effet Tunnel couplé à une excitation lumineuse (LA-STM). Dans un premier temps, des systèmes 2D supramoléculaires robustes (liaisons hydrogène) D et/ou A ont été élaborés par un procédé en solution. Des liaisons hydrogène sont mises en évidence sur un assemblage d'un dérivé de porphyrine (D) pouvant en établir plusieurs, montrant le lien entre les liaisons établies et la géométrie obtenue. D'autre part, un réseau poreux "hôte" à base de molécules de PTCDI (A) et de mélamine est utilisé pour diriger la croissance de molécules "invitées" à l'intérieur des pores. Des systèmes hôte-invités sont alors élaborés en utilisant soit un dérivé thiolé de porphyrine (D), soit un polyoxométalate (POM). Une étude infrarouge de surface (PM-IRRAS) montre en plus que le réseau a une influence différente sur le processus d'organisation des deux molécules.Dans un deuxième temps, la mise en place d'un dispositif de LA-STM est décrite, avec une étude réalisée sur une bicouche moléculaire D/A constituée d'un polymère (PTB7) et d'un dérivé de fullerène (PC71BM). Premièrement, les effets photo-physiques, non spécifiques aux molécules et inhérents à la technique, ont été étudiés. Cela a permis de mesurer le courant à potentiels opposés DI=I(V+)-I(V-), attribué aux transferts de charge aux jonctions D/A. La localisation de ce courant permet d'identifier les jonctions D/A actives en surface avec une résolution nanométrique. / We present the 2D self-assembly of molecular electron Donors (D) and Acceptors (A) on Au(111) and their study by Light-Assisted Scanning Tunneling Microscopy (LA-STM). Firstly, hydrogen bonded supramolecular assemblies are elaborated from solutions. On one hand, a the self-assembly of a porphyrin derivative (D) show the relationship between the established hydrogen bonds and the obtained geometry. On the other hand, a PTCDI-melamine porous host network was used to template the growth of guest molecules within the pores. Host-guest systems are then elaborated using a thiolated porphyrin derivative and a polyoxometalate (POM) molecule. A surface infrared analysis (PM-IRRAS) shows that the network has different effects on the growth process and orientation angles of the two molecules.Secondly, we developed a LA-STM setup and we analysed a polymer/fullerene (PTB7/PC71BM) D/A molecular system. After the study of the photo-physical phenomena giving rise to the photo-current, we measured the current at opposite bias voltages DI=I(V+)-I(V-). We attribute this current to the photo-absorption of the molecules and to the electron transfer at the molecular D/A junctions which allows us to identify the active junctions on the surface with the nanometre resolution.

The growing fields of spintronics and nanotechnology have created increased interest in developing the means to manipulate the spin of electrons. One such method arises from the combination of the spin-orbit interaction and the broken inversion symmetry that arises at surfaces and interfaces, and has prompted many recent investigations on metallic surfaces. A method by which surface states, in the absence of spin orbit effects, have been successfully investigated is the Green function embedding scheme of Inglesfield. This has been integrated into a self consistent FLAPW density functional framework based on the scalar relativistic K¨olling Harmon equation. Since the spin of the electron is a direct effect of special relativity, calculations involving the spin orbit interaction are best performed using solutions of the Dirac equation. This work describes the extension of Green’s function embedding to include the Dirac equation and how fully relativistic FLAPW surface electronic structure calculations are implemented. The general procedure used in performing a surface calculation in the scalar relativistic case is closely followed. A bulk transfer matrix is defined and used to generate the complex band structure and an embedding potential. This embedding potential is then used to produce a self consistent surface potential, leading to a Green’s function from which surface state dispersions and splittings are calculated. The bulk embedding potential can also be employed in defining channel functions and these provide a natural framework in which to explore transport properties. A relativistic version of a well known expression for the ballistic conductance across a device is derived in this context. Differences between the relativistic and nonrelativistic methods are discussed in detail. To test the validity of the scheme, a fully relativistic calculation of the extensively studied spin orbit split L-gap surface state on Au(111) is performed, which agrees well with experiment and previous calculations. Contributions to the splitting from different angular momentum channels are also provided. The main advantages of the relativistic embedding method are the full inclusion of the spin orbit interaction to all orders, the true semi infinite nature of the technique, allowing the full complex bands of the bulk crystal to be represented and the fact that a only small number of surface layers is needed in comparison to other existing methods.

Ce travail de thèse s’est intéressé au dépôt électrochimique de filmsde palladium ultra-minces sur Au(111), à leur caractérisation et àl’insertion d'hydrogène dans ceux-ci. La caractérisation des nanofilmsen milieu sulfurique montre des signatures bien définies, qui évoluentavec l’épaisseur des dépôts. Nous avons pu attribuer à chaque pic uneréaction spécifique, en accord avec les mécanismes de croissancerévélés par les mesures SXRD in situ. La croissance pseudomorphede la 1ère couche se fait avec une première étape d'adsorption, suiviepar un mécanisme de nucléation et croissance. La croissance 3D de latroisième couche démarre avant la fin de la deuxième couchepseudomorphe.L'absorption d'hydrogène dans les nanofilms a été étudiée en milieusulfurique. L’isotherme d’insertion présente un élargissement dudomaine de la solution solide, un plateau avec une pente dans ledomaine bi-phasique et une diminution du taux maximal d'insertion del’hydrogène par rapport au Pd massif. Ce taux diminue avecl’épaisseur mai approche celui de Pd massif au déla delà de 15 MC.Deux éléments ont été considérés pour expliquer le comportement desisothermes: les deux premières couches pseudomorphes sontcontraintes par le support et des « tours » tridimensionnelles relaxéesse forment au delà de la 2ème couche. / This thesis focused on electro-deposition, characterization andhydrogen strorage of ultrathin palladium film over Au(111). Theelectrochemical characterization of the nanofilms in sulphuric mediumshows well-defined features evolving with the deposit thickness. Wecould assign each peak to a specific reaction, in agreement with thegrowth mechanisms revealed by in situ SXRD measurements. Thepseudomorphic growth of the 1st layer firstly undergoes an adsorptionstep, followed by nucleation and growth mechanism, as shown bycurrent transient measurements. 3D growth of the 3rd layer beginsbefore the completion of the second pseudomorphic one.Hydrogen absorption in the nanofilms was studied in sulphuric mediumas well. Isotherms show an enlargement of the solid solution domain, asloppy plateau in the two-phase region, a decrease of maximuminsertion ratio (H/Pd)max compared to bulk Pd. This last valuedecreases with film thickness, approaching bulk Pd beyond about15 ML. Two contributions were considered to explain the isothermbehaviour: the two first Pd layers heavily constraint by the substrateand the 3D “towers like” relaxed structures growing on the secondpseudomorphic Pd layer.

The studies presented in this work are aimed towards a better understanding of the fundamental physics of the electrode/organic molecule interface in both the ground and excited state manifolds. Systematic investigations of single systems using two-photon photoemission (TPPE) and ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) were undertaken in order to assess the evolution of the electronic structure and molecular organization at the interface. The adsorbate molecule vanadyl naphthalocyanine (VONc) was used whose properties are well-suited to this purpose. Interfacial electronic states of thin films of VONc were studied with two different substrates: highly ordered pyrolytic graphite (HOPG) and Au(111).The substrate of HOPG is a surface which does not possess reactive dangling bonds and the electron density close to the Fermi edge is very low, permitting high resolution spectroscopic band analysis of VONc and revealing subtle changes to the electronic structure. From interfacial studies of this weakly interacting substrate/ adsorbate system, it is shown in this work that molecular electronic levels in both the ground and excited state manifolds can shift independently of the vacuum level. Further, electron transfer between close lying electron donor and acceptor energy levels may be influenced by energy level shifts caused by depolarization effects as a function of dipole density.The VONc/Au(111) interface is investigated in order to examine energy level alignment in a system with the additional complexity of molecule/substrate interactions. The electron rich Au(111) surface leads to a strong interface dipole upon addition of VONc. Joint experimental and computational data is presented showing that the underlying cause of this interface dipole is Pauli repulsion. Additionally, investigations of energy level alignment in the excited state manifold are presented and the possibility of quantum interference is discussed.The interfacial electronic structure is quite different among these two model systems. The interfacial alignment observed in the HOPG/VONc system was largely due to depolarization of the intrinsic molecular dipole as a function of density, whereas the Au(111)/VONc interface is dominated by interfacial Pauli repulsion interactions.

Les films ultraminces présentent une grande proportion d'atomes aux interfaces films-substrat et film-environnement. Grâce à cela, ces films possèdent des microstructures et donc des propriétés particulières différentes de celles des matériaux massifs. Nous avons étudié par microscopie à effet tunnel in situ d'une part la microstructure d'alliages binaires B - Ni où B = {Pd, Au, Ag} réalisés par co-dépôt électrochimique, et d'autre part la microstructure de films ultraminces où l'élément B est déposé sur une monocouche de nickel préalablement déposée sur Au(111). De plus, une méthode à été mise au point pour permettre de maintenir la surface de Au(111) non reconstruite pendant le les différents dépôts permettant de minimiser la formation d'alliage avec le substrat. Après avoir revisité le dépôt de Ni sur l'or non reconstruit, la microstructure des alliages co-déposés a été étudiée en fonction de leur composition et de la vitesse de dépôt. De plus, le choix des éléments B nous permet d'étudier l'influence de l'enthalpie de mélange du nickel avec Pd, Au et Ag sur la microstructure. Nous avons ainsi montré qu'il y a séparation de phase dans tous les cas mais à une échelle propre à chaque système. Le dépôt de B sur Ni a permis de mettre en évidence des processus de substitution entre B = {Pd, Au} et le nickel. Ces processus s'accompagnent d'une dissolution partielle du nickel extrudé de la couche. Les alliages formés sont composés d'un mélange de phase riches en nickel et riches en Pd ou Au. La morphologie de ces alliages est cependant très différente des alliages co-déposés.

The current thesis presents fundamental studies of phthalocyanines (Pcs), a group of organic macro-cycle molecules. The use of phthalocyanine molecular films in devices with a variety of possible technological applications has been the reason of the many studies dedicated to such molecules 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 phthalocyanine molecules in gas phase and adsorbed on gold (111) and silicon Si(100)-2x1 substrates. Density functional theory (DFT) is used to obtain further insights in the electronic structure of the phthalocyanines. The aim of our studies is to get a deeper understanding into the molecule-molecule and molecule-substrate interactions, a fundamental requirement for improving the devices based on such molecular materials. Gas phase PES and XAS studies and single molecule DFT calculations are performed on the valence band (VB) of iron phthalocyanine (FePc), manganese phthalocyanine (MnPc) and metal-free phthalocyanine (H2Pc). The VB simulations have shown how the metal atom of the Pc influences the inner valence states of the molecules. The HOMO of the H2Pc and FePc is formed by mostly C2p states, whereas the HOMO of MnPc has mainly Mn3d character. PES studies of H2Pc on Au(111) have revealed the influence of the surface on the adsorption of the monolayer. XAS studies indicate formation of ordered monolayer with the Pc ligands parallel to the surface and the change of the molecular tilt angle with increasing thicknesses. For LuPc2 adsorbed on Au(111), STM study demonstrates a formation of bilayer instead of a monolayer. A comparison between the results of LuPc2 adsorbed on pristine or passivated Si(100)-2x1 confirmes the different reactivities of these surfaces: LuPc2 retains many molecular-like characters, when adsorbed on the innert passivated Si. Instead, on the more reactive pristine Si surface, the spectroscopic results have indicated a more significant interaction, possible hybridization and charge redistribution between the molecules and the surface. Moreover, STM images show a modification of the geometrical shape of the molecules, which are proposed to adsorb in two different geometries on the pristine Si surface.

Les résultats décrits dans cette thèse démontrent une relation complexe entre le confinement géométrique de molécules à 2D et les propriétés de chiralité. Il a été démontré qu’une chiralité multimodale peut être observée pour des systèmes non chiraux par le biais du confinement 2D. Les molécules H5T forment, sur Au(111), des domaines pour lesquels deux types de chiralité peuvent être observés. Les études sur le système H5T/Au(111) ont prouvé que des interactions simples, de type van der Waals sont susceptibles de créer des chiralités complexes, ce qui donne un caractère générique a ce type de phénomène. Une autre question importante est l’apparition, pour les molécules C-12, des domaines chiraux induits par des interactions intermoléculaires spécifiques: les liaisons hydrogène entre les groupements azobenzènes de molécules voisines. L’orientation des deux domaines chiraux est déterminée par l’orientation de l’un des deux dimères d’azobenzène stable par rapport à l’Au(111).La seconde partie de la thèse est dédiée à l’étude de l’influence du confinement 3D sur la chiralité de gouttes de cristal liquide cholestérique (CLC). Grâce à la nature photo-sensible du dopant chiral utilisé, nous avons été capables de modifier le pas choléstérique du mélange de CLC et par conséquent de déterminer l’expression de la chiralité pour un ratio rayon/pas choléstérique variable. Nous sommes parvenus à contrôler le pas choléstérique au sein de gouttes par irradiation UV et nous avons étudié les variations structurelles que l’irradiation induite. Nous avons observé que le confinement 3D d’un mélange de CLC photo-sensible a une influence positive sur l’inversion de l’hélice dans la goutte. / The first part of the thesis is devoted to studies of the self-assembled monolayers of discotic liquid crystals by the STM measurements at the liquid/solid interface. For the case of a model H5T molecule the self-assembled monolayers have evidenced both: point and organizational types of chirality, despite of the fact that neither the molecule nor the substrate was chiral. For another molecular system, C-12 - a triphenylene peripherally substituted with azobenzene moieties, self-assemblies bearing the chiral nature were also evidenced. Chirality was induced by formation of six dimers of azobenzene subunits coming from the neighboring molecules, which formed “rosettes” of clockwise or counter-clockwise rotation. For the H5T, the chirality was mediated by classical van der Waals interactions between molecules and between molecules and substrate. In the case of C-12 it was shown that the self-assembly originates from the substrate-mediated hydrogen bonding between the azobenzene moieties of neighboring molecules. The second part of the thesis presents studies of the influence of the 3D confinement on the chirality of the photoactive cholesteric liquid crystal (CLC) droplets. Due to the photo-responsive character of a chiral dopant we were able to modify the cholesteric pitch of the CLC mixture and thus to map the expression of chirality for a varying geometrical confinement parameter: radius-to-pitch. We evidenced a successful control of the droplets structure by UV irradiation and we studied the induced structural changes. In particular, the 3D confinement of a photo-responsive CLC mixture was shown to positively support the helix inversion within the cholesteric droplets.

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This thesis presents surface science studies, investigating several aspects of titanium dioxide at the atomic scale. The greater part of this work is devoted to the preparation by chemical vapor deposition (CVD) of titanium(IV) tetraisopropoxide (TTIP) of ultrathin TiO2 or TiOx films on Au(111). Four ordered structures were growth and characterized. It was also demonstrated how the morphology of the film (wetting film vs island) can be tailored. The acquired knowledge about the CVD process was exploited to load nano porous gold with titania, enhancing its catalytic activity. The reactivity towards water adsorption of the titania structures on Au(111) was also investigated. Finally, part of this work concerned the studying of the behavior of water on the stoichiometric rutile TiO2(110) surface, combining the experiments with density-functional theory (DFT) calculations and (kinetic) Monte Carlo simulations. The main experimental techniques used in this work are low-energy electron diffraction (LEED), scanning tunneling microscopy (STM) and photoelectron spectroscopy (PES).

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. / 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.