Le travail de cette thèse porte sur l’étude à l’échelle atomique des molécules de Cycloparaphénylènes ([n]CPPs) et leurs dérivés, par modélisation ab initio (calculs par DFT/LDA). La première étude a été de regarder la stabilité de ces anneaux lors de leurs fonctionnalisations par des halogènes et les changements structuraux induits. La notion importante d’énergie de courbure a été soulevée pour trouver de nouvelles routes de synthèse. L’encapsulation de fullerène C60 à l’intérieur des [10]CPPs est une part très importante de cette thèse, avec plus particulièrement l’interaction entre le dimère d’azafullerène (C59N)2 et deux [10]CPPs. Les interactions supramoléculaires et l’alignement de deux [10]CPPs sur ce dimère ont été regardés théoriquement mais aussi expérimentalement grâce à une collaboration avec deux équipes de recherches en Allemagne et en Grèce. La possibilité d’alignement des [10]CPPs a conduit à l’étude de la fonctionnalisation de ces molécules dans le but de les connecter avec différents ponts de type aromatique, polymère ou métallique pour former une nouvelle famille de pseudo-nanotubes composé de [10]CPPs connectés. Selon les connexions utilisées, les propriétés de conduction des pseudo-nanotubes varient de semi-conducteur à large gap jusqu’à des structures métalliques. Dans ce manuscrit, les interactions entre les [n]CPPs et les nanotubes de carbone ont été étudiés pour former des structures où le [n]CPP interagit à l’intérieur ou autour du nanotube de carbone. Dans ce cadre, l’étude de la rotation du [n]CPP montre une très faible force de frottement et permet ainsi de prévoir une rotation ultra rapide du CPP. / The work in this thesis concerns the study at the atomic scale of Cycloparaphenylene ([n]CPP) molecules and their complexes and derivatives, using ab initio modeling methods (DFT/LDA). I initially look at the stability of these molecular rings when functionalized by halogens, and the structural changes induced. The important notion of curvature energy is raised to find new synthesis routes. The encapsulation of C60 fullerene inside [10]CPPs is a very important part of this work and more particularly the interaction between the azafullerene dimer (C59N)2 and two [10]CPPs. This allowed us to look at supramolecular interactions and the alignment of two [10]CPPs on this dimer both theoretically and experimentally, through collaboration with research teams in Germany and Greece. The possibility of templated alignment of [10]CPPs leads to a study on the functionalization of these molecules with the aim of connecting them together with various connectors, for example with aromatic species, polymers or metals to form a new family of pseudo-nanotubes composed of multiply inter-linked [10]CPPs. Depending on the connections used, the conduction properties of the 'pseudo-nanotubes' can vary from wide-gap semiconductors to metallic structures. I also show in this manuscript, that [n]CPPs and carbon nanotubes can interact to form structures where the ring is encapsulated inside or around the carbon nanotube. In this context, the study of the rotation of cycloparaphenylene demonstrate a very low frictional force and thus predict ultra-rapid CPP rotation.

Le couplage covalent de précurseurs moléculaires spécialement conçus, assisté par une surface métallique, a récemment émergé comme nouvelle voie pour la création de nouvelles architectures moléculaires prometteuses pour l’électronique moléculaire. Les phtalocyanines et leurs dérivés ont attiré beaucoup d’intérêt à cause de leurs propriétés chimiques et optoélectroniques. Dans cette thèse la synthèse de composés de phtalocyanine est présentée. Les composés sont obtenus par une réaction en surface entre précurseurs fonctionnalisés avec quatre groupements carbonitriles et des atomes métalliques. L’étude expérimentale est faite par microscopie à effet tunnel et spectroscopie de photoémission X. Les précurseurs moléculaires de TCN-DBTTF et de PPCN ont été étudiés. Les TCN-DBTTF ont été déposés avec les atomes de Mn, Fe ou Cu sur Ag(111) et Au(111). La réaction de cyclotetramerization a été activée par recuits. Dans le cas le plus favorable (TCN-DBTTF avec Fe sur Ag(111)), la réaction peut être activée à 200°C et permet la synthèse de phtalocyanines individuelles. Un recuit à plus haute température permet de continuer la réaction en 1D (250°C) et en 2D (275°C). Des résultats similaires ont été obtenus pour le dépôt de PPCN avec Mn ou Cu sur Au(111). L’évolution des spectres des niveaux de coeur permet d’obtenir une preuve de la réaction. Les différents facteurs qui influencent la cyclotetramerisation ont été étudiés.L'étude démontre la versatilité de la méthode: la synthèse en surface permet la création de polymères 2D originaux connectés par des macrocycles de phtalocyanine susceptibles d’être étendus à un grand nombre de précurseurs et d’atomes métalliques. / Surface-assisted covalent coupling of suitably designed molecular precursors on metal surfaces has recently emerged as a new route towards the design of novel molecular architectures promising for future applications. Phthalocyanines and their derivatives have been widely studied for their chemical and optoelectronic properties. In this thesis the synthesis of phthalocyanine compounds is presented. The compounds are obtained through an on-surface reaction between tetracarbonitrile-functionalized precursors and metals. The experimental investigation is carried out by means of scanning tunnelling microscopy and X-Ray photoemission spectroscopy. Two molecular precursors, TCN-DBTTF and PPCN, are studied. TCN-DBTTF molecules are deposited with metal atoms (Mn, Fe, or Cu) on Ag(111) and Au(111). Annealing is used to activate the reaction of cyclotetramerization between precursors and metals. In the most favourable case (TCN-DBTTF with Fe on Ag(111)) the reaction can be activated at 200°C and leads to the synthesis of individual phthalocyanines. Increasing the temperature allows the synthesis of polymeric lines, at 250°C, and small 2D domains, at 275°C. Similar results are obtained for PPCN deposition with Mn or Cu on Au(111). In this latter case, the evolution of core level spectra allows a chemical proof of the on-surface reaction. The factors affecting on-surface cyclotetramerization have also been studied. This study demonstrates the versatility of the method: on-surface cyclotetramerization allows creating original 2D polymers connected by phthalocyanine macrocycles, and may work with a wide range of tetracarbonitrile-functionalized precursors and metallic atoms.

La croissance de polymères bidimensionnels a été étudiée sous ultra-haut vide sur des surfaces métalliques par microscopie à effet tunnel (STM). La première étude concerne la croissance de réseaux nanoporeux covalents bidimensionnels obtenus par réaction de déshydratation des molécules d'acide 1.4 diboronique (BDBA). Les meilleurs réseaux sont obtenus pour les dépôts à flux élevés sur des substrats d'Argent chauffés à 150°C. La deuxième étude concerne la réaction chimique entre les molécules de 1,2,4,5 tétracyanobenzène (TCNB) et les atomes de Fer. La formation de liaison covalente entre les molécules et les atomes de Fer est thermiquement activée par des recuits à 200°C et permet la formation d'octacyanophtalocyanine de Fer. Ce travail ouvre de nouvelles perspectives pour la fabrication de matériaux 2D originaux obtenus par des réactions chimiques de surface. / The growth of two dimensional polymers has been studied under ultra-high vacuum on metallic surfaces by scanning tunnelling microscopy (STM). The first study relates on the growth of two dimensional covalent nanoporous networks obtained after dehydratation reaction of the 1,4 diboronic acid benzene molecule (BDBA). The best networks have been obtained with high molecular flux on silver metallic substrates maintained at 150°C during deposition. The second study relates on chemical reaction between the 1, 2, 4, 5 tetracyanobenzene molecule (TCNB) and iron atoms. The reaction takes place after an annealing at 200°C. In that case some iron octacyanophthalocyanine have been successfully synthesised at surfaces. This work opens new perspectives for the fabrication of 2D original materials by chemical reactions on surfaces.

Dans ce rapport de thèse, nous présentons les résultats obtenus avec la croissance d'assemblages supramoléculaires hautement cristallins et stables à température ambiante sur des surfaces isolantes d'halogénures d'alcalins. L'objectif de cette étude est de caractériser structurellement ces réseaux auto-assemblés et de mettre en évidence l'ensemble des forces d'interaction mises en œuvre dans les processus de croissance et de diffusion, en combinant la microscopie à force atomique en mode non contact (nc-AFM) sous ultravide et des calculs théoriques basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et la dynamique moléculaire. Nous montrons comment des paramètres bien définis concernant le choix de la molécule d'une part tels que sa taille, sa forme, sa symétrie, sa flexibilité et sa fonctionnalité, et le choix du substrat d'autre part, influent sur la morphologie de croissance et permettent de contrôler les propriétés de diffusion des molécules en surface et donc la structure supramoléculaire résultante. / In this thesis, we report the results obtained with the growth of highly crystalline and stable supramolecular assemblies at room temperature on insulating surfaces of bulk alkali halides single crystals. The objective of this study is to structurally characterize these self-assembled networks and understand all the interaction forces involved in the growth and diffusion processes. This is performed by joint non-contact atomic force microscopy (nc-AFM) experiments in ultrahigh vacuum and theoretical calculations based on density functional theory (DFT) and molecular dynamics. We show how well-defined parameters for the choice of the molecule on the one hand such as size, shape, symmetry, flexibility and functionality, and the choice of the substrate on the other hand, influence the morphology growth and serve to steer the structure and diffusion properties of such systems.

L’approche « bottum-up » via l’auto-assemblage moléculaire est considéré comme une voie prometteuse pour contrôler la fabrication de nouveaux matériaux et leur intégration dans des dispositifs hybrides présentant de propriétés nouvelles. Dans ce travail, nous avons synthétisé plusieurs hybrides à base de molécules organiques (fullerène, porphyrines, phtalocyanine), d’oligonucléotides ou de nanotubes de carbone.Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la synthèse d’une nouvelle famille de produits constituée d’une unité C60 lié à deux chromophores positionnés face à face et permettant la formation de complexes hôte-invités. Nous avons montré que ces composés s’assemblent pour donner des structures supramoléculaires en solution et sur surface. Les interactions électroniques et la compléxation entre le fullerène et les deux chromophores (porphyrines et phtalocyanines) ont été étudiées par spectroscopie optique et RMN ainsi que par voltammétrie cyclique.Parmi les outils de l’approche « bottom-up », l’ADN a montré son extraordinaire potentiel pour la fabrication d’assemblages bio-dirigés. En effet, la synthèse de matériaux hybrides à base d’ADN permet un contrôle précis (théoriquement à l’échelle d’une base, ~3,4Å) du positionnement des groupements fonctionnels dans un matériau. Dans le but de former des réseaux bi- et tridimensionnels à base d’ADN permettant le positionnement de nano-objets, nous avons synthétisé des hybrides à base d’oligonucléotides et de porphyrines (molécule 2D) ou d’adamantane (molécule 3D). Des édifices supramoléculaires simples ont été réalisés et le travail se poursuit en vue de la réalisation de réseaux fonctionnels.Enfin, dans une dernière partie, nous nous sommes intéressés à la fonctionnalisation des nanotubes de carbone monoparoi (SWNT) avec des chromophores de type porphyrines et phtalocyanines. Alors que les porphyrines présentent une absorption intense presque exclusivement dans le bleu, les phtalocyanines absorbent principalement dans le rouge. Combiner ces deux chromophores à la surface des nanotubes de carbone présente donc un intérêt particulier pour la collecte de lumière car les deux composés absorbent des régions complémentaires du spectre visible. Ce travail ouvre la voie vers l'étude des propriétés optoélectroniques des hybrides à base de nanotubes et en particulier leur utilisation pour la conversion d’énergie lumineuse en énergie électrique (application photovoltaïque). / An Approach "bottum-up" via molecular self-assembly is considered as a promising way to control the manufacture of new materials and their integration into hybrid devices with novel properties. In this work, we have synthesized several hybrids based on organic molecules (fullerene, porphyrin, phthalocyanine), oligonucleotides or carbon nanotubes.At first, we were interested in the synthesis of a new family of products consisting of a unit C60 linked to two chromophores positioned face to face and allowing the formation of host-guest complexes. We have shown that these compounds are combined to give supramolecular structures in solution and on the surface. Electronic interactions and complexation between fullerene and the two chromophores (porphyrins and phthalocyanines) were studied by NMR and optical spectroscopy as well as cyclic voltammetry.Among the tools of the "bottom-up", DNA showed its tremendous potential for the production of bio-directed assembly. Indeed, the synthesis of hybrid materials based DNA allows precise control (theoretically on the scale of a base, ~ 3.4 Å) of the positioning of the functional groups in a material. In order to form networks and bi-dimensional DNA-based for positioning nano-objects, we have synthesized hybrid oligonucleotide-based and porphyrin molecule (2D) or adamantane molecule (3D). Supramolecular structures have been made and this work is ongoing to achieve functional networks.Finally, in a last part, we are interested in the functionalization of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) with chromophores like porphyrins and phthalocyanines. While porphyrins exhibit almost exclusively an intense absorption in the blue (around 420-440 nm), phtalocyanines absorb mainly in the red spectral region. Taken together these two chromophores have interesting light harvesting, photophysical and redox properties; the two components will participate independently to increase the overall absorption in the visible range of the solar spectrum. This work opens the route to study the optoelectronic properties of hybrid nanotube and in particular their use for the conversion of light energy into electrical energy (photovoltaic application).

Cette thèse vise principalement à décorer des phtalocyanines avec des groupes de reconnaissance supramoléculaires pour induire leur auto-assemblage pour la première fois avec ces chromophores robustes imitant les bactériochlorophylles chlorosomales naturelles. D’autre part, cette thèse est également dédiée à la méthodologie de synthèse des complexes à trois étages avec des lanthanides complexant des porphyrines et phtalocyanines encombrantes.La première partie présente quelques concepts de base et des exemples segéstifs dans la biomimétique et l’auto-assemblage moléculaire. Les auto-assemblages biomimétiques des bactériochlorophylle c, d, e ont été examinés suivie par la synthèse, la séparation des régioisomères des phtalocyanines et des cellules solaires construites avec des phtalocyanines. La deuxième partie présente des travaux originaux sur une série d'antennes pour la coolléction de la lumière, comme les acylphthalocyanines qui font d'auto-assemblage avec des groupes carbonyle comme motifs de reconnaissance, un atome de zinc central et diverses chaînes alkyle de solubilisation. Ces nouveaux composés pourraient s’auto-assembler de la même manière que les bactériochlorophylles naturelles. La troisième partie de cette thèse se concentre sur les propriétés électrochimiques et magnétiques de lanthanides-porphyrine-phtalocyanine complexes sandwich ‘’triple deckers’’ volumineux, synthétisés par une nouvelle méthode sous irradiation avec des micro-ondes. Le site initial de l'oxydation ou de réduction de ce type de molécules à trois étages a d'abord été attribué par la combinaison de la spectroélectrochimie de couche mince. / This thesis mainly aims to decorate phthalocyanines with supramolecular recognition groups for inducing their self-assembly for the first time with these robust chromophores mimicking the natural chlorosomal bacteriochlorophylls. Meanwhile, this thesis is also dedicated to the synthetic methodology of bulky lanthanide porphyrin phthalocyanine triple-decker complexes. The first part provides some basic concepts and some delicate examples in biomimetics and molecular self-assembly, then biomimetic bacteriochlorophyll c, d, e self-assembles were simply reviewed, followed by the introduction on the synthesis, regioisomer separation of phthalocyanines and phthalocyanine-sensitized solar cells. The second part presents a series of light-harvesting antennas, namely self-assembling acyphthalocyanines, with carbonyl groups as recognition motifs, a central zinc atom and various solubilizing alkyl chains, which could self-assemble in the same way as the natural bacteriochlorophylls. These assemblies were characterized by UV-Vis, Variable-temperature UV-Vis and 1H-NMR spectra. The third part of this thesis focuses on the electrochemical and magnetic properties of bulky lanthanide porphyrin phthalocyanine triple-decker complexes synthesized by microwave-mediated, therein, the initial site of oxidation/reduction on this type of triple-decker molecules was firstly assigned by combining the thin-layer spectroelectrochemistry and the assignments of the electronic absorption spectra. Furthermore, the different single-molecule magnet behaviors of the corresponding Tb and Dy triple-decker complexes were also studied.

L'auto-assemblage moléculaire est désormais considéré comme l'une des approches les plus prometteuses pour la conception de matériaux à nanostructures complexes. Cependant, les récents progrès effectués ont aussi amené la nécessité d'améliorer la compréhension des mécanismes régissant la flexibilité des molécules. Il a ainsi été décidé d'étudier l'effet de la composition des briques moléculaires sur leur processus d'assemblage, et la labilité structurale des systèmes assemblés. De manière à pouvoir comparer rigoureusement les résultats expérimentaux, un seule morphologie de briques moléculaires, en forme de "bâtonnet", a été choisie et trois groupes distincts de molécules ont été sélectionnés : non-polaires, qui ne possèdent pas de dipôle important, monofonctionelles, lesquelles possèdent une terminaison polaire et une seconde non-polaire, et bifonctionelles, constituées d'un groupe polaire à chaque extrémité séparés par une chaine non-polaire Ainsi, l'influence des groupements dipolaires sur la labilité de la nanostructure finale du matériau a pu être explorée. Cette étude permet ainsi de mettre en exergue la remarquable diversité des flexibilités structurales qui peuvent être rencontrées dans les systèmes auto-assemblés. De plus, elle dévoile le potentiel des mouvements moléculaires locaux en tant qu'approche encourageante pour fonctionnaliser des structures auto-assemblées supposées inertes ou contraintes.

Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'effet Kondo moléculaire au sein de réseaux supramoléculaires bidimensionnels en contact avec des surfaces métalliques monocristallines. Les techniques mises en oeuvre sont la diffraction d'électrons lents (LEED) et la microscopie à effet tunnel (STM) pour l'étude de la croissance ainsi que la spectroscopie à effet tunnel (STS) et la photoémission pour l'étude des propriétés électroniques. Les molécules employées dans le cadre de ce travail sont composées de macrocycles de phtalocyanine et tétraphénylporphyrine. Elles ont été choisies sur la base de l'orbitale contenant le spin moléculaire. Dans un premier cas, une phtalocyanine non métallée 2HPc a été déposée sur une surface monocristalline d'Ag(111). Un transfert de charge du métal vers la molécule conduit à l'apparition d'un effet Kondo à base température observé par STS sur des molécules individuelles ainsi que sur des auto-assemblages. Dans le deuxième cas, nous avons choisi un composé hôte à double plateaux contenant un ion cérium de type 4f. Nous avons mis en évidence l'influence du substrat sur l'effet Kondo. En effet, tandis que nous observons par STS, l'apparition d'une résonance Kondo lorsque la molécule est auto-assemblée sur Ag(111), aucun effet n'est observé sur Cu(111). Les résultats sont discutés en terme d'interactions molécule-molécule et molécule-substrat / In this work, we investigated molecular Kondo effect in two-dimensional supramolecular lattices adsorbed on metallic single crystalline surfaces by means of low-energy electron diffraction (LEED), scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS) and photoemission (PES). The molecular compounds used in this PhD thesis have been chosen in regards to their spin orbital. The first molecule under investigation is a metal free phthalocyanine adsorbed on Ag(111). A Kondo effect has been evidenced by STS for single molecules as well as for self-assembly up to one monolayer coverage at low temperature. In that case, the spin originates from charge transfer from the Ag surface to the molecule. The second molecular compound is a double-decker molecule hosting a cerium 4f-ion. In that case, a Kondo resonance is evidenced by STS when it is self-assembled on Ag(111) whereas it is absent on Cu(111). These results are discussed in terms of intermolecular and molecule-metal interactions

Ce travail de thèse est consacré à l’étude d’auto-assemblages de molécules organiques π-conjuguées par microscopie à effet tunnel (STM)sous ultra-vide sur une surface de silicium dopée bore. Le manuscrit est constitué de cinq chapitres : dans le premier chapitre, nous présentons un état de l’art des assemblages organiques sur les surfaces métalliques et sur les semi-conducteurs. Le chapitre deux décrit le dispositif expérimental utilisé au cours de cette thèse. Il présente également le substrat de Si(111)-B et fournit les concepts théoriques associés à la microscopie à effet tunnel. Le troisième chapitre décrit en détail les réseaux supramoléculaires obtenus à partir d’une molécule aromatique halogénée de symétrieC2. L’adsorption de 4,4"-dibromo-p-terphényle conduit à la formation de deux types de structures compactes (l’une en bande et l’autre en chevron) stables à température ambiante et commensurables avec la surface. Nous montrons que ces architectures sont pilotées conjointement par la liaison hydrogène, la liaison halogène et du π -stacking. Le quatrième chapitre étudie l’influence du nombre de cycles aromatiques sur la géométrie et la périodicité d’auto-assemblages obtenus sur Si (111) -B. Pour cela, nous avons synthétisé deux molécules organiques composées d’une partie centrale aromatique et de deux chaînes latérales (O-(CH2)9-CH3). La partie centrale est constituée respectivement de trois ou cinq cycles phényles terminées par des groupements cyano. Nous nous sommes également intéressés à l’influence des groupements terminaux sur l’organisation du réseau. Nous montrons que l’effet des groupements cyano sur les interactions "molécule/molécule" et sur les interactions "molécule/surface" est négligeable. A partir des travaux obtenus dans le chapitre 4, nous concluons notre manuscrit en présentant des réseaux supramoléculaires de molécules dipolaires. Ces réseaux forment des lignes de dipôles. Nous montrons que sur de petites échelles les molécules favorisent un alignement de leurs moments dipolaires. / This work is dedicated to the investigation under ultra high vacuum of _-conjugated molecule on a silicon surface by means of scanningtunneling microscopy (STM). The manuscript consists of five chapters.In the first chapter, we present a state-of-the-art of organic assembly on metal and semiconductor.Chapter two describes the experimental setup using during thesis. It also shows Si(111)-B substrate and gives theoretical conceptsassociated with the scanning tunneling microscopy.The third chapter describes in detail the supramolecular network obtained from an aromatic halogenated molecule with C2 symmetry. Theadsorption of 4,4"-dibromo-p-terphenyl leads to the formation of two kinds of compacts structures (a stripe structure and a herringbonestructure). The formed networks are stable at room temperature and commensurable with the surface. These architectures are promotedby hydrogen bond, halogen bond and _-stacking.Chapter four studies influence of benzene ring number on the geometry and the periodicity of self-assemblies on Si(111)-B. To do that,we have synthesis two organics molecules composed of an aromatic central part and two laterals chains (O-(CH2)9-CH3). The centralpart is composed of respectively three or five phenyl ring ended by cyano groups. We are also interested to the terminal groups effecton the network organisation. We show that the cyano groups effect on the "molecule/molecule" interaction and the "molecule/surface"interaction are negligible. Basis of the work conducted on the chapter four, we conclude our manuscript by presenting supramolecularsnetworks of dipolar molecule. These networks form dipole lines. We show that on small scale the molecules promote an alignment of theirdipolar moments.