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Die vorliegende Arbeit behandelt die Herstellung geordneter C60-Schichten, ihre elektrochemische Nanostrukturierung in wässrigen Lösungen und ionischen Flüssigkeiten und den Einsatz geordneter und nanostrukturierter Fullerenschichten in organischen Dünnschichttransistoren. Geordnete C60-Schichten wurden durch thermische Verdampfung im Hochvakuum hergestellt. Als Substratmaterial wurden HOPG (Graphit), Glimmer und einkristallines Silizium verwendet. Die größten einkristallinen Bereiche werden auf HOPG-Substraten erhalten. Die laterale Ausdehnung der C60-Kristallite parallel zu den Graphitstufen kann bis zu 50 µm erreichen, orthogonal zu den Stufen ist das Wachstum durch die Graphitstufen begrenzt. Die elektrochemische Reduktion von C60 -Schichten in wässriger Lösung ist elektrochemisch irreversibel. Die geflossene Ladung beträgt ein Vielfaches der theoretisch möglichen Menge. Durch die Reduktion tritt eine Nanostrukturierung der Schichtoberfläche ein, die Größe der gebildeten Cluster beträgt 20 nm bis 50 nm. Fullerenpolymere und hydriertes C60 sind die chemischen Hauptprodukte der elektrochemischen Nanostrukturierung in wässriger Lösung. Die Reduktion von Fullerenschichten in ionischen Flüssigkeiten ist aufgrund der geschlossenen Schichtoberfläche und des starken Potentialabfalls in der Fullerenschicht zunächst kinetisch gehemmt und setzt erst bei negativeren Potentialen im Bereich der Reduktion zum C60-Dianion ein. Die Reduktion der Fullerenschichten ist elektrochemisch irreversibel, zum Teil aber chemisch reversibel. Es konnte erstmals der Einsatz nanostrukturierter C60 -Schichten als aktives Halbleitermaterial in Feldeffekt-Transistoren gezeigt werden. Für die Verwendung nanostrukturierter Fullerenschichten in Feldeffekt-Transistoren wurde 11-(3-Thienyl-)undecyl-trichlorosilan als Haftvermittler eingesetzt. Die gezeigten Ergebnisse von C60 -Transistoren mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit und der erfolgreichen Verwendung nanostrukturierter Fullerenschichten in Transistorstrukturen zeigen die Möglichkeiten des C60 als aktives Halbleitermaterial auf.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν ο προσδιορισμός της υπερπολωσιμότητας δεύτερης τάξης διάφορων φουλλερενίων, παραγώγων φουλλερενίων και διθειολενικών συμπλόκων και η συσχέτιση αυτής με τη χημική δομή των υπό μελέτη υλικών. Για τη μελέτη των μη-γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων των υλικών αυτών χρησιμοποιήθηκε η τεχνική Z-scan. Η μη-γραμμική τους απόκριση μελετήθηκε για παλμική διέγερση 35 ps και 8 ns, στα 532 και 1064 nm. Παράγοντες όπως ενίσχυση λόγω συντονισμού, μείωση της συμμετρίας, απεντοπισμός ηλεκτρονίων και μεταφορά φορτίου βρέθηκαν ότι επηρεάζουν σημαντικά τις μη-γραμμικές οπτικές ιδιότητες των συστημάτων αυτών. / The objective of this thesis was the determination of the second-order hyperpolarizability of some fullerenes, fullerene derivatives and dithiolene complexes and the understanding of the relation between the hyperpolarizability and the molecular structure. The non-linear optical properties of the above systems were investigated by the Z-scan technique. In particular, their non-linear optical response was studied under pulsed laser excitation having duration 35 ps and 8 ns, at 532 and 1064 nm. Several factors, like resonant enhancement, symmetry reduction, electron delocalization and charge transfer, were found to influence significantly the non-linear optical properties of these molecules.

Στην παρούσα εργασία ερευνάται η τρίτης τάξης μη γραμμική απόκριση διαφόρων υλικών τα οποία μελετήθηκαν σε μορφή διαλυμάτων ή λεπτών υμενίων. Αρχικά περιγράφονται βασικές έννοιες της μη γραμμικής οπτικής, μερικών σημαντικών φυσικών διαδικασιών που σχετίζονται με αυτή, καθώς και των διαφόρων μηχανισμών που μπορούν να συνεισφέρουν στο μη γραμμικό δείκτη διάθλασης. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η μη γραμμική οπτική απόκριση νανοδομών Au, Pd και Ag. Με τη βοήθεια πολυμερών αποτρέπεται η συσσωμάτωση και καθίζηση του μετάλλου και επιτυγχάνεται η δημιουργία μεταλλικών νανοσωματιδίων συγκεκριμένω διαστάσεων. Επίσης μελετάται η μη γραμμικότητα TiO2, φουλλερενικών παραγώγων και μοριακών μηχανών. Η μεγάλη απόκριση των συστημάτων αυτών σε συνδυασμό με την έντονη εξάρτησή της από διάφορες μορφολογικές/δομικές παραμέτρους καθιστά τα συστήματα αυτά πολύ χρήσιμα για φωτονικές εφαρμογές. / In this work the third order nonlinear optical response of several photonic materials, has been investigated. These materials were in the form of solutions, colloids or thin films. Initially some basic concepts of nonlinear optics, the physical processes related with it, as well as the physical mechanisms related to the nonlinear refractive index are presented. Then, the nonlinear optical response of Au, Pd and Ag nanoparticles is presented. By using polymers, formation of nanoparticles exhibiting specific sizes can be achieved. Furthermore the polymer does not allow metal aggregation in the system. The nonlinearity of TiO2 films, fullerene derivatives and molecular engines is also investigate. The large response of these systems, combined with the strong dependence on several morphological/structural parameters makes them very promising candidates for several photonic applications.

The non-adiabatic quantum molecular dynamics (NA-QMD) method couples self-consistently classical nuclear motion with time-dependent density functional theory (TDDFT) in basis expansion for the electron dynamics. It has become a versatile approach to study the dynamics of atoms, molecules and clusters in a wide range of scenarios. This work presents applications of the NA-QMD method to important benchmark systems and its systematic extension to include quantum effects in the nuclear motion. Regarding the first objective, a complete study of the strong-field ionization and dissociation dynamics of nature’s simplest molecule H2+ is performed. By including all electronic and nuclear degrees of freedom and all reaction channels, molecular rotation is shown to play an important role in the ionization process. In addition, strong orientation effects in the energy deposition process of the Buckminster fullerene C60 in short intense laser pulses are surprisingly found in full dimensional calculations. Their consequences on the subsequent nuclear relaxation dynamics shed new light on available experimental data and future experiments are proposed to confirm the detailed predictions. Regarding the second objective, the NA-QMD formalism is basically extended to take electron-nuclear correlations into account. This extension is achieved by means of a trajectory surface hopping scheme in the adiabatic Kohn-Sham framework. First studied examples from collision physics and photochemistry illustrate the relevance and importance of quantum effects in the nuclear dynamics.

Grâce à des expériences en ultra-vide avec un AFM en mode non-contact (nc-AFM) et une nano-sonde de Kelvin (KPFM), nous avons pu précisément caractériser plusieurs dépôts de molécules sur différentes surfaces isolantes, dont la surface (001) de monocristaux de NaCl dopés par des ions Cd2+, appelée la surface de Suzuki. Cette surface est nanostructurée de façon à ce que deux régions très distinctes coexistent : des régions de NaCl pures et des régions de Suzuki qui recouvrent partiellement la surface (001) du cristal. Nous montrons que la surface de Suzuki peut être utilisée comme surface nanostructurée dans le but de confiner l'adsorption de nano-objets tels que des molécules organiques ou inorganiques. Après déposition de différentes molécules pentahélicènes fonctionalisées, une large partie de celles-ci reste préférentiellement adsorbée dans les régions de Suzuki. Suite aux observations nc-AFM et KPFM un modèle sera présenté sur les mécanismes d'adsorption et désorption de ces hélicènes, accompagné d'une étude étonnante sur des ilots de molécules fullerènes C60 déposés sur plusieurs surfaces isolantes, et la manipulation de charges dans ces ilots. / Thanks to ultra high vacuum experiments using non-contact AFM and Kelvin probe force microscopy (KPFM), we have been able to characterize precisely several depositions of molecules on different surfaces, including the (001) surface of a Cd2+ doped NaCl single crystal called the Suzuki surface. This surface is nanostructured such as two different regions coexist : pure NaCl regions and Suzuki regions covering partially the (001) surface. We show that the Suzuki surface can be used as a nanotemplate in order to confine the adsorption of nano-objects such as organic or inorganic molecules. After deposition of different functionalised pentahelicenes molecules, a large part of those stay preferentially adsorbed on Suzuki regions. Following the nc-AFM and KPFM observations a model will be presented on the mechanism of adsorption and desorption of those helicenes, accompanied with a astonishing study about fullerenes C60 molecules deposed on several surfaces, and the charge manipulation in these islands.

The main goal of this work is to introduce new carbon structures - carbon nanotubes. The main objective of this work is to take advantage of the unique characteristic of carbon nanotubes to emit electrons at very low supply voltage.

La performance des dispositifs moléculaires, tels que les cellules solaires ou des diodes électroluminescentes, peut être optimisée en contrôlant l’organisation des composantes des couches actives. Les fullerènes et leurs dérivés sont souvant utilisés dans des dispositifs photovoltaïques pour leurs propriétés électro-acceptrices et conductrices. Il est donc important de concevoir des structures moléculaires pouvant interagir avec les unités fullerène et ainsi de diriger leur organisation. Le caractère électro-accepteur et la forme convexe des fullerènes favorisent le choix d’un partenaire de surface complémentaire : électro-donneuse et concave. Le phosphangulène, une triarylphosphine hexacyclique qui répond à ces critères et est aisément fonctionnalisable, a été choisi comme structure de base pour la synthèse des cibles. La présente thèse décrit la synthèse et la structure des dérivés du phosphangulène et des cocristaux obtenus avec les fullerènes au travers de quatre articles soumis au courant de ce doctorat. Le premier article décrit la synthèse des dérivés chalcogénures du phosphangulène. Ces dérivés-ci présentent de nombreux polymorphes, résultant en de bons candidats pour la cocristallisation. Le second article se concentre sur les cocristaux de ces dérivés chalcogénures avec le C60 et le C70. Dans le troisième article, nous décrivons les complexes obtenus par la coordination du phosphangulène sur des métaux de transition. Enfin, dans le quatrième article, nous parlons des sels du µ-nitrido-bis(phosphangulène), un cation organique où deux unités phosphangulène sont pontées par un atome d’azote, ainsi que des cocristaux résultant de la combinaison de ce ligand pontant et du C60. / The performance of molecular devices such as solar cells or light-emitting diodes can be optimized by controlling how the active-layer components are organized. Fullerenes and their derivatives are often used in photovoltaic devices for their electron-accepting and conductive properties. It is therefore important to design molecular structures that can interact with fullerene units and thus direct their organization. The electron-accepting character and convex shape of fullerenes favor the choice of a partner with a complementary surface that is electron-donating and concave. Phosphangulene, a hexacyclic triarylphosphine that meets these criteria and is easily functionalizable, was chosen as the basic structure for synthesizing targets. This thesis describes the synthesis and structure of phosphangulene derivatives and their cocrystals obtained with fullerenes through four articles submitted during this doctorate. The first article describes the synthesis of chalcogenide derivatives of phosphangulene. These derivatives have many polymorphs, resulting in good candidates for cocrystallization. The second article focuses on cocrystals of these chalcogenide derivatives with C60 and C70. In the third article, we describe the complexes obtained by the coordination of phosphangulene with transition metals. Finally, in the fourth article, we talk about the salts of μ-nitrido-bis (phosphangulene), an organic cation where two phosphangulene units are bridged by a nitrogen atom, as well as the crystals resulting from the combination of this bridging ligand and C60.

The non-adiabatic quantum molecular dynamics (NA-QMD) method couples self-consistently classical nuclear motion with time-dependent density functional theory (TDDFT) in basis expansion for the electron dynamics. It has become a versatile approach to study the dynamics of atoms, molecules and clusters in a wide range of scenarios. This work presents applications of the NA-QMD method to important benchmark systems and its systematic extension to include quantum effects in the nuclear motion. Regarding the first objective, a complete study of the strong-field ionization and dissociation dynamics of nature’s simplest molecule H2+ is performed. By including all electronic and nuclear degrees of freedom and all reaction channels, molecular rotation is shown to play an important role in the ionization process. In addition, strong orientation effects in the energy deposition process of the Buckminster fullerene C60 in short intense laser pulses are surprisingly found in full dimensional calculations. Their consequences on the subsequent nuclear relaxation dynamics shed new light on available experimental data and future experiments are proposed to confirm the detailed predictions. Regarding the second objective, the NA-QMD formalism is basically extended to take electron-nuclear correlations into account. This extension is achieved by means of a trajectory surface hopping scheme in the adiabatic Kohn-Sham framework. First studied examples from collision physics and photochemistry illustrate the relevance and importance of quantum effects in the nuclear dynamics.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Herstellung geordneter C60-Schichten, ihre elektrochemische Nanostrukturierung in wässrigen Lösungen und ionischen Flüssigkeiten und den Einsatz geordneter und nanostrukturierter Fullerenschichten in organischen Dünnschichttransistoren. Geordnete C60-Schichten wurden durch thermische Verdampfung im Hochvakuum hergestellt. Als Substratmaterial wurden HOPG (Graphit), Glimmer und einkristallines Silizium verwendet. Die größten einkristallinen Bereiche werden auf HOPG-Substraten erhalten. Die laterale Ausdehnung der C60-Kristallite parallel zu den Graphitstufen kann bis zu 50 µm erreichen, orthogonal zu den Stufen ist das Wachstum durch die Graphitstufen begrenzt. Die elektrochemische Reduktion von C60 -Schichten in wässriger Lösung ist elektrochemisch irreversibel. Die geflossene Ladung beträgt ein Vielfaches der theoretisch möglichen Menge. Durch die Reduktion tritt eine Nanostrukturierung der Schichtoberfläche ein, die Größe der gebildeten Cluster beträgt 20 nm bis 50 nm. Fullerenpolymere und hydriertes C60 sind die chemischen Hauptprodukte der elektrochemischen Nanostrukturierung in wässriger Lösung. Die Reduktion von Fullerenschichten in ionischen Flüssigkeiten ist aufgrund der geschlossenen Schichtoberfläche und des starken Potentialabfalls in der Fullerenschicht zunächst kinetisch gehemmt und setzt erst bei negativeren Potentialen im Bereich der Reduktion zum C60-Dianion ein. Die Reduktion der Fullerenschichten ist elektrochemisch irreversibel, zum Teil aber chemisch reversibel. Es konnte erstmals der Einsatz nanostrukturierter C60 -Schichten als aktives Halbleitermaterial in Feldeffekt-Transistoren gezeigt werden. Für die Verwendung nanostrukturierter Fullerenschichten in Feldeffekt-Transistoren wurde 11-(3-Thienyl-)undecyl-trichlorosilan als Haftvermittler eingesetzt. Die gezeigten Ergebnisse von C60 -Transistoren mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit und der erfolgreichen Verwendung nanostrukturierter Fullerenschichten in Transistorstrukturen zeigen die Möglichkeiten des C60 als aktives Halbleitermaterial auf.