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La stratégie de la tectonique moléculaire a montré durant ces dernières années son utilité dans la construction de nouveaux matériaux. Elle repose sur l’auto-assemblage spontané de molécule dite intelligente appelée tecton. Ces molécules possèdent l’habilité de se reconnaitre entre elles en utilisant diverses interactions intermoléculaires. L'assemblage résultant peut donner lieu à des matériaux moléculaires avec une organisation prévisible. Cette stratégie exige la création de nouveaux tectons, qui sont parfois difficiles à synthétiser et nécessitent dans la plupart des cas de nombreuses étapes de synthèse, ce qui empêche ou limite leur mise en application pratique. De plus, une fois formées, les liaisons unissant le corps central du tecton avec ces groupements de reconnaissance moléculaire ne peuvent plus être rompues, ce qui ne permet pas de remodeler le tecton par une procédure synthétique simple. Afin de contourner ces obstacles, nous proposons d’utiliser une stratégie hybride qui se sert de la coordination métallique pour construire le corps central du tecton, combinée avec l'utilisation des interactions plus faibles pour contrôler l'association. Nous appelons une telle entité métallotecton du fait de la présence du métal. Pour explorer cette stratégie, nous avons construit une série de ligands ditopiques comportant soit une pyridine, une bipyridine ou une phénantroline pour favoriser la coordination métallique, substitués avec des groupements diaminotriazinyles (DAT) pour permettre aux complexes de s'associer par la formation de ponts hydrogène. En plus de la possibilité de créer des métallotectons par coordination, ces ligands ditopiques ont un intérêt intrinsèque en chimie supramoléculaire en tant qu'entités pouvant s'associer en 3D et en 2D. En parallèle à notre étude de la chimie de coordination, nous avons ii examiné l'association des ligands, ainsi que celle des analogues, par la diffraction des rayons-X (XRD) et par la microscopie de balayage à effet tunnel (STM). L'adsorption de ces molécules sur la surface de graphite à l’interface liquide-solide donne lieu à la formation de différents réseaux 2D par un phénomène de nanopatterning. Pour comprendre les détails de l'adsorption moléculaire, nous avons systématiquement comparé l’organisation observée en 2D par STM avec celle favorisée dans les structures 3D déterminées par XRD. Nous avons également simulé l'adsorption par des calculs théoriques. Cette approche intégrée est indispensable pour bien caractériser l’organisation moléculaire en 2D et pour bien comprendre l'origine des préférences observées. Ces études des ligands eux-mêmes pourront donc servir de référence lorsque nous étudierons l'association des métallotectons dérivés des ligands par coordination. Notre travail a démontré que la stratégie combinant la chimie de coordination et la reconnaissance moléculaire est une méthode de construction rapide et efficace pour créer des réseaux supramoléculaires. Nous avons vérifié que la stratégie de la tectonique moléculaire est également efficace pour diriger l'organisation en 3D et en 2D, qui montre souvent une homologie importante. Nous avons trouvé que nos ligands hétérocycliques ont une aptitude inattendue à s’adsorber fortement sur la surface de graphite, créant ainsi des réseaux organisés à l'échelle du nanomètre. L’ensemble de ces résultats promet d’offrir des applications dans plusieurs domaines, dont la catalyse hétérogène et la nanotechnologie. Mots clés : tectonique moléculaire, interactions intermoléculaires, stratégie hybride, coordination métallique, diffraction des rayons-X, microscopie de balayage à effet tunnel, graphite, phénomène de nanopatterning, calculs théoriques, ponts hydrogène, chimie supramoléculaire, ligands hétérocycliques, groupements DAT, catalyse hétérogène, nanotechnologie. / In recent years, molecular tectonics has been a useful strategy in the construction of new materials. It relies on the spontaneous self-assembly of molecules called tectons. These molecules have the ability to recognize themselves using various intermolecular interactions. The resulting assembly can produce molecular materials with predictable organization. This strategy requires the creation of new tectons, which are sometimes difficult to synthesize and require in most cases many synthetic steps, which prevents or limits their practical application. Moreover, once formed, the bonds joining the central core of the tecton with the groups used for molecular recognition cannot be broken, which means that it is not possible to recycle or reform the tecton by simple synthetic procedures. To avoid these obstacles, we propose to use a hybrid strategy that uses metal coordination to build the central core of the tecton, combined with the use of weaker interactions to control the association. We call such entities metallotectons due to the presence of metal. To explore this strategy, we constructed a series of ditopic ligands containing either pyridine, bipyridine or phenanthroline to promote metal coordination, substituted with diaminotriazinyl groups (DAT) to allow inter-complex association by the formation of hydrogen bonds. In addition to the possibility of creating metallotectons by coordination, these ditopic ligands have an intrinsic interest in supramolecular chemistry as entities that can associate in 3D and 2D. In parallel to our study of coordination chemistry, we examined the association of ligands by X-ray diffraction (XRD) and scanning tunneling microscopy (STM). The adsorption of these molecules on the graphite surface at the liquid-solid interface results in the formation of different networks through a process of 2D nanopatterning. To understand the details of iv molecular adsorption, we systematically compared the 2D organization observed STM with the 3D structures determined by XRD. We also simulated the adsorption by theoretical calculations. This integrated approach is essential to characterize the molecular organization in 2D and to understand the origin of the observed preferences. These studies of the ligands themselves may therefore serve as a reference when we study the association of metallotectons derived by ligands coordination. Our work demonstrates that the strategy combining coordination chemistry and molecular recognition is a rapid and an efficient method to create supramolecular networks. We verified that the strategy of molecular tectonics is also effective in leading the organization in 3D and 2D, which often shows a significant homology. We found that our heterocyclic ligands have unexpected ability to adsorb strongly on the graphite surface, creating networks organize in nanoscale. Together, these results provide promising applications in several fields, including heterogeneous catalysis and nanotechnology. Keywords : molecular tectonics, intermolecular interactions, hybrid strategy, metal coordination, X-ray diffraction, scanning tunneling microscopy, graphite, nanopatterning phenomenon, theoretical calculations, hydrogen bonds, supramolecular chemistry, ligands, DAT groups, heterogeneous catalysis, nanotechnology.

La Spectroscopie par Effet Tunnel Inélastique (IETS) avec un Microscope à Effet Tunnel (STM) est une nouvelle technique de spectroscopie vibrationnelle, qui permet de caractériser des propriétés très fines de molécules adsorbées sur des surfaces métalliques. Des règles de selection d’excitation vibrationnelle basées sur la symétrie ont été proposées, cependant, elles ne semblent pas exhaustives pour expliquer la totalité du mécanisme et des facteurs en jeu; elles ne sont pas directement transposables pour les propriétés d'un adsorbat et sont lourdes d'utilisation. Le but de cette thèse est donc d'améliorer ces règles de selection par une étude théorique. Un protocole de simulation de l'IETS a été développé, paramétré, et évalué, puis appliqué pour calculer des spectres IETS pour différentes petites molécules, qui sont systématiquement liées, sur une surface de cuivre. Des principes additifs de l'IETS ont été developpés, notamment concernant l’extension dans le vide de l’état de tunnel, l'activation/ quench sélectif de certains modes du aux propriétés électroniques de certains fragments moléculaires, et l'application de certaines règles d'addition de signaux IETS. De plus, des empreintes vibrationnelles par des signaux IETS ont été determinées pour permettre de différentier entre les orientations des adsorbats, la nature chimique des atomes et les isomères de structures. Une stratégie simple utilisant les propriétés de distribution de la densité électronique de la molécule isolée pour prédire les activités IETS sans des couts importants de calculs a aussi été développée. Cette expertise a été utilisée pour rationaliser et interpréter les mesures expérimentales des spectres IETS pour des métalloporphyrines et métallophtalocyanines adsorbées. Ces études sont les premières études IETS pour des molécules aussi larges et complexes. L'approche expérimentale a permis de déterminer les limitations actuelles des simulations IETS. Les défauts associés à l'identification ont été résolus en faisant des simulations d'images STM complémentaires. / Inelastic Electron Tunneling Spectroscopy (IETS) with the Scanning Tunneling Microscope (STM) is a novel vibrational spectroscopy technique that permits to characterize very subtle properties of molecules adsorbed on metallic surfaces. Its proposed symmetry-based propensity selection rules, however, fail to fully capture its exact mechanism and influencing factors; are not directly retraceable to an adsorbate property and are cumbersome. In this thesis, a theoretical approach was taken to improve them. An IETS simulation protocol has been developed, parameterized and benchmarked, and consequently used to calculate IETS spectra for a set of systematically related small molecules on copper surfaces. Extending IETS principles were deduced that refer to the tunneling state’s vacuum extension, the selective activating/quenching of certain types of modes due to the moieties’ electronic properties, and the applicability of a sum rule of IETS signals. Also, fingerprinting IETS-signals that enable discrimination between adsorbate orientations, the chemical nature of atoms and structural isomers were determined and a strategy using straightforward electronic density distribution properties of the isolated molecule to predict IETS activity without (large) computational cost was developed. This expertise was used to rationalize and interpret experimentally measured IETS spectra for adsorbed metalloporphyrins and metallophthalocyanines, being the first IETS studies of this large size. This experimental approach permitted to determine the current limitations of IETS-simulations. The associated identification shortcomings were resolved by conducting complementary STM-image simulations.

In der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe eines Photon-STM die Korrelation zwischen optischen Eigenschaften und der lokalen Morphologie an zwei unterschiedlichen Systemen untersucht. Hierfür wurden zum einem oxidgetragene Ensemble von Silber-Partikeln präpariert, wobei sowohl die Partikelform (Kuppel- und Scheibenform) als auch die deponierte Partikeldichte variiert werden konnte. Neben der Präparation solcher Partikel auf Al10O13/NiAl, konnten sphärische Silber-Kolloide geordnet, als auch ungeordnet auf HOPG aufgebracht und untersucht werden. Dabei zeigte sich, dass das Verhältnis von Höhen zu Breiten nicht nur einen signifikanten Einfluss auf die Mie-Resonanz des einzelnen Partikels hat, sondern auch die elektromagnetische Kopplung der Partikel in einem Ensemble stark kontrolliert. Die energetische Lage der Mie-Resonanz zeigt im Fall der kuppelförmigen Ag-Partikel eine starke Abhängigkeit vom Intepartikel-Abstand, was sich in einer Verschiebung zu höheren Energien für eine steigende Partikeldichte äußert. Eine solche Abhängigkeit konnte bei den Ensembles der scheibenförmigen Partikel nicht beobachtet werden. Des weiteren zeigte sich, dass, verglichen mit den ungeordneten Ensembles, die selbstorganisierte langreichweitige Ordnung der Silber-Kolloide auf HOPG nur einen schwachen Einfluss auf die energetische Position der Mie Resonanz hat.Das zweite hier untersuchte System sind dünne MgO Filme unterschiedlicher Dicken auf einem Mo(001) Substrat. Diese zeigen ein reichhaltiges Wachstumsverhalten, welches durch eine Differenz in den Gitterkonstanten von 5.3% begründet ist und erst ab etwa 25 ML zu einem flachen und defektarmen Film führt. Die so induzierte Spannung relaxiert bis zu einer Dicke von etwa 7 ML in einer periodischen Überstruktur die aus abwechselnd flachen und verkippten Ebenen an der MgO-Mo Grenzschicht hervorgeht. Für MgO Filme mit einer Dicke von etwa 12 ML werden dann Schraubenversetzungen, ausgedehnte verkippte Ebenen und Stufenkanten mit einer Orientierung entlang der Richtung beobachtet. Die optische Charakterisierung durch Feldemission von Elektronen aus der STM-Spitze in den MgO-Film wird dominiert von zwei Emissionsmaxima bei Energien von 3.1 eV und 4.4 eV. Die kontrollierte Nukleation von Gold Partikeln und die Erzeugung von Farbzentren im MgO Film erlaubten eine Zuordnung dieser Emissionen zu strahlenden Zerfällen von Exitonen an Ecken, Kinken bzw. Stufen des Magnesiumoxids. Solche Emissionsprozesse konnten allerdings nur unter Einstellungen beobachtet werden, bei denen ein gleichzeitiges Rastern der Oberfläche unmöglich ist. Bei moderaten Einstellungen war auch eine ortsaufgelösten Spektroskopie möglich, wobei dann neue Emissionsmechanismen beobachtet wurden. Dabei sind zwei Prozesse wesentlich; zum einen die Ausbildung von sog. Spitzen-induzierten Plasmonen im Bereich zwischen Spitze und dem Mo-Substrat, zum anderen strahlende Elektronenübergänge zwischen sog. Feldemissionsresonanzen, die sich im Spitze/MgO-Film System ausbilden. / In this thesis, the correlation between the optical properties and the local morphology of supported silver nanoparticle ensembles and MgO thin films deposited on Mo(001) systems is explored by means of Photon-STM. In the first section, dome and disk shaped Ag nanoparticle ensembles with increasing density on an alumina film on NiAl(110) were analyzed as well as ordered and disordered ensembles of Ag nanocolloids on HOPG. The aspect ratio of the Ag nanoparticles was found to have a significant influence not only on the Mie plasmon resonance of a single particle, but also on the electromagnetic coupling within the nanoparticle ensembles. The Mie resonance in the ensemble of dome shaped Ag nanoparticles shows a strong dependence on the interparticle distance, where it shifts to higher energies with increasing particle density, due to destructive interference effects. In the disk-like Ag ensembles, however, the plasmon energy is independent of particle-particle separation. The long-range lateral ordering of size-selected Ag nanocolloids is found to induce a high dipole-dipole coupling within the ensemble. This is mainly reflected by the enhancement of the spectral intensity of the in-plane Mie mode, due to constructive coupling. However, ensembles with either well-ordered or disordered arrangements reveal no important difference in their optical properties, reflecting the weak influence of the long-range order in the particle ensemble. Thin MgO films with different thicknesses were grown on a Mo(001) surface. The stress resulting from the 5.3% lattice mismatch between the MgO(001) and the Mo(001) lattice parameters is found to control the surface morphology of the MgO film until thicknesses of around 25ML at which flat and defect-poor films are obtained. The relaxation of the stress induces a periodic network in the first 7ML of the MgO film, consisting of alternated flat and tilted mosaics. The presence of screw dislocations, steps oriented along the MgO directions, and tilted planes is observed when the MgO films are approximately 12ML thick. In addition, an increase of the MgO work function around these new surface features is revealed from STM spectroscopy. The photon emission induced by field-emitted electron injection from the STM tip into the MgO films is dominated by two emission bands located at 3.1eV and 4.4eV. To check the origin of these bands, further experiments, namely, nucleation of Au particles and creation of F-centers on the MgO surface, have been performed. The nucleation of Au particles at the low coordinated sites is found to quench the MgO optical signal, while the creation or annihilation of F-centers does not alter the MgO emission bands. The 3.1eV and the 4.4eV bands are therefore assigned to the radiative decay of MgO excitons at corner and kink sites, and step sites, respectively. Besides, spatially resolved optical measurements in the tunneling mode of the STM revealed different light emission mechanisms. These radiative processes are mainly related to tip-induced plasmons that form between the tip and the Mo support and to electron transitions between field-emission-resonance states in the STM tip-MgO film junction. The signal from exciton decays at corners and kinks of the MgO surface is however only observed at excitation conditions where the spatial resolution is already strongly reduced.

We present the development of a novel, UHV-compatible device fabrication strategy for the realisation of nano- and atomic-scale devices in silicon by harnessing the atomic-resolution capability of a scanning tunnelling microscope (STM). We develop etched registration markers in the silicon substrate in combination with a custom-designed STM/ molecular beam epitaxy system (MBE) to solve one of the key problems in STM device fabrication ??? connecting devices, fabricated in UHV, to the outside world. Using hydrogen-based STM lithography in combination with phosphine, as a dopant source, and silicon MBE, we then go on to fabricate several planar Si:P devices on one chip, including control devices that demonstrate the efficiency of each stage of the fabrication process. We demonstrate that we can perform four terminal magnetoconductance measurements at cryogenic temperatures after ex-situ alignment of metal contacts to the buried device. Using this process, we demonstrate the lateral confinement of P dopants in a delta-doped plane to a line of width 90nm; and observe the cross-over from 2D to 1D magnetotransport. These measurements enable us to extract the wire width which is in excellent agreement with STM images of the patterned wire. We then create STM-patterned Si:P wires with widths from 90nm to 8nm that show ohmic conduction and low resistivities of 1 to 20 micro Ohm-cm respectively ??? some of the highest conductivity wires reported in silicon. We study the dominant scattering mechanisms in the wires and find that temperature-dependent magnetoconductance can be described by a combination of both 1D weak localisation and 1D electron-electron interaction theories with a potential crossover to strong localisation at lower temperatures. We present results from STM-patterned tunnel junctions with gap sizes of 50nm and 17nm exhibiting clean, non-linear characteristics. We also present preliminary conductance results from a 70nm long and 90nm wide dot between source-drain leads which show evidence of Coulomb blockade behaviour. The thesis demonstrates the viability of using STM lithography to make devices in silicon down to atomic-scale dimensions. In particular, we show the enormous potential of this technology to directly correlate images of the doped regions with ex-situ electrical device characteristics.

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