Nous avons étudié par STM, SQUID, Réflectivité X, Diffraction des rayons X, absorption optique et XAS des échantillons de Fe(phen)2(NCS)2 et Fe{[3,5-dimethylpyrazolyl]3BH}2 déposé par évaporation thermique sur des substrats de Cu(100), Co(100) et SiO2, et comparé avec des échantillons en poudre. Nous avons confirmé l'existence de l'effet de piégeage d'état de spin induit par les rayons X (SOXIESST), et étudié ses propriétés, en particulier dynamiques. Celui-ci dépend de l'intensité et de la structure du faisceau X appliqué, et est non-résonant. Nous suggérons que son efficacité est influencée également par les états de transfert de charge métal-ligand (MLCT). L'étude des molécules isolées a montré que l'on pouvait les faire transiter par une impulsion électrique, et construire ainsi des dispositifs memrésistifs, mais seulement si l'influence du substrat est suffisamment réduite. À l'aide d'un modèle thermodynamique simple, nous avons alors étudié les couches minces et montré que la coopérativité est réduite et que la température de transition est modifiée (plus grande pour la Fe-phen, plus faible pour la Fe-pyrz). Enfin, nous utilisons ces résultats pour construire des dispositifs multicouche verticaux Au/Fe-phen/Au dont les propriétés électriques, d'après nos résultats préliminaires, sont dépendantes des stimuli extérieurs (température, champ magnétique). Notamment, ils présentent un effet « diode » à la transition de spin. / We have studied by STM, SQUID, X-ray reflectivity, X-ray diffraction, optical absorption and XAS Fe(phen)2(NCS)2 and Fe{[3,5-dimethylpyrazolyl]3BH}2 samples deposited by thermal evaporation on Cu(100), Co(100) and SiO2 substrates, and compared with results on powder samples. We have confirmed the existence of the soft X-ray induced excited spin state trapping (SOXIESST), and investigated its properties, in particular dynamic aspects. The effect is sensitive to the intensity and the structure of the applied X-ray beam, and is non-resonant. We suggest that its efficiency is also governed by metal-ligand charge transfer states (MLCT). The study of single molecules has revealed that they could be switched by voltage pulses, and by this way building memristive devices, but only if the influence of the substrate is sufficiently reduced. We have then investigated thin films with the help from a simple thermodynamic model, and evidenced that the cooperativity was reduced and the transition temperature is modified (higher for Fe-phen, and lower for Fe-pyrz). Finally, we use these results to build multilayer vertical devices Au/Fe-phen/Au, and its electrical properties depends, according to our preliminary results, on the external stimuli (temperature, magnetic field). Notably, they present a “diode” effect at the spin transition.

Dans cette thèse est décrite la synthèse et les propriétés magnétiques des composés de coordination contenant des liaisons Co-Co ou Cr-Cr. Le contexte général sera discuté dans la première partie de ce travail en considérant l'évolution historique de ce type de chimie de coordination. Dans le deuxième chapitre, la possibilité d'intégrer un cluster {Co3} avec des ligands dipyridylamide et liaisons intermétalliques, dans des polymères de coordination unidimensionnels est discutée. Les interactions entre les porteurs de spin et l'effet du ligand pontant sont étudiés. Les changements des propriétés de transition de spin sont contrôlés en comparant par rapport au précurseur. Dans le troisième chapitre, les propriétés de molécule aimant d'un cluster de {Cr3} analogue à celui du {Co3}, sont étudiées. L'influence du ligand axial et la symétrie de la molécule sont également considérés et corrélées avec les propriétés de la molécule. Dans le quatrième chapitre, l'effet de la transition de spin induite par la coordination est étudié sur un exemple de cluster de {Co3} avec des ligands dipyridylformamidinate. La rupture et le rétablissement d'une liaison Co-Co est contrôlée par le biais de la température et de la lumière. L'effet de la rupture de la liaison intermétallique sur les propriétés magnétiques et structurales est aussi étudié. / In this thesis is described the synthesis, structures and magnetic properties of coordination compounds containing Co-Co or Cr-Cr bonds. In the first part of this work a general background is given on the historical evolution of this type of coordination chemistry. In the second chapter the possibility of incorporating a {Co3} cluster with dipyridylamide ligands and intermetallic bonds into one-dimentional coordination polymers is discussed. The interactions between spin centers and the effect of the bridging ligand were studied, and changes in the spin crossover properties were monitored and compared to the precursor. In the third chapter the Single-Molecule Magnet properties of a series of {Cr3} clusters are presented. The influence of the axial ligand and the symmetry of the molecule was considered and correlated to the magnetic properties. In the fourth chapter the phenomenon of coordination induced spin transition in a {Co3} cluster with dipyridylformamidinate ligands is discussed. Changes in magnetism and optical properties as a result of the breaking and restoring of a Co-Co bond were monitored as a function of temperature and light irradiation.

Les travaux de recherche concernent l'étude des propriétés magnétiques des nanoparticules de coordination et de complexes à transition de spin assemblés en monocouches sur différents substrats métalliques par spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS) aux seuils L₂,₃ des atomes métalliques. Nous utilisons le dichroïsme magnétique circulaire des rayons X (XMCD) et le dichroïsme naturel linéaire des rayons X (XNLD). La simulation des données expérimentales est réalisée par la méthode des multiplets en champ de ligands (LFM). Cette thèse est divisée en deux parties.La première partie vise à étudier l'anisotropie magnétique des nanoparticules magnétiques de coordination assemblées en une monocouche sur du graphite pyrolytique hautement orienté. Les mesures XAS, XNLD et XMCD révèlent la présence d'une anisotropie électronique et magnétique par l'ouverture d'une boucle d'hystérèse magnétique à basse température. En combinant les données expérimentales avec les calculs LFM, nous proposons un modèle structural de la surface des particules qui permet de rendre compte de l'anisotropie électronique et magnétique due à l'interface nanoparticules/vide.Dans la deuxième partie, on étudie la transition de spin thermique et photo-induite de complexes de Fe(II) assemblés en sous-monocouches sur des substrats métalliques. Les calculs LFM et les données expérimentales permettent de démêler les différents effets que les paramètres externes (température, rayons X, lumière bleue et rouge) induisent sur la nature et l'ampleur de la transition de spin. Une transition "anormale" de l’état haut spin vers bas spin, induite par la lumière bleue est découverte et analysée comme étant due à une interaction à l'interface entre les molécules et les substrats métalliques, cette interaction apportant l’énergie nécessaire à cette transition. / This thesis is focused on the investigation of the magnetic properties of magnetic nanoparticles and spin crossover complexes assembled as monolayers on different metallic substrates by X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) at the L₂,₃ edges of the metal atoms. We use X-ray Magnetic Circular Dichroism (XMCD) and X-ray Natural Linear Dichroism (XNLD) to do so. The simulation of the experimental data is carried out by Ligand Field Multiplet (LFM) calculations. This thesis is divided into two parts.The first part aims at studying the magnetic anisotropy of Prussian blue analog magnetic coordination nanoparticles that were assembled as a single layer on Highly Oriented Pyrolytic Graphite. XAS, XNLD and XMCD measurements disclose the presence of electronic and magnetic anisotropy by the opening of a magnetic hysteresis loop at low temperature. Combining experimental data with LFM calculations, we propose a structural model of the surface of the particles that allows accounting for electronic and magnetic anisotropy and that is proposed to be due to the single layer/vacuum interface.In the second part, thermal and light-induced spin crossover behavior of Fe(II) containing molecules have been assembled as a sub-monolayer on metallic substrates. Complementary LFM calculations and experimental XAS data allow unravelling the nature and the magnitude of the spin crossover as a function of the external stimuli (temperature, X-rays, blue and red light). An anomalous blue light effect allowing a crossover at low temperature from the high to low spin states is discovered and analyzed as being due to the interface between the molecules and the metallic substrates.

A series of Fe2+ spin crossover (SCO) complexes [Fe(5/6)]2+ employing hexadentate ligands (5/6) with cis/trans-1,2-diamino cyclohexanes (4) as central building blocks were synthesised. The ligands were obtained by reductive amination of 4 with 2,2′-bipyridyl-6-carbaldehyde or 1,10-phenanthroline-2-carbaldehyde 3. The chelating effect and the rigid structure of the ligands 5/6 lead to exceptionally robust Fe2+ and Zn2+ complexes conserving their structure even in coordinating solvents like dmso at high temperatures. Their solution behavior was investigated using variable temperature (VT) 1H NMR spectroscopy and VT Vis spectroscopy. SCO behavior was found for all Fe2+ complexes in this series centred around and far above room temperature. For the first time we have demonstrated that the thermodynamics as well as kinetics for SCO can be deduced by using VT 1H NMR spectroscopy. An alternative scheme using a linear correction term C1 to model chemical shifts for Fe2+ SCO complexes is presented. The rate constant for the SCO of [Fe(rac-trans-5)]2+ obtained by VT 1H NMR was validated by Laser Flash Photolysis (LFP), with excellent agreement (1/(kHL + kLH) = 33.7/35.8 ns for NMR/LFP). The solvent dependence of the transition temperature T1/2 and the solvatochromism of complex [Fe(rac-trans-5)]2+ were ascribed to hydrogen bond formation of the secondary amine to the solvent. Enantiomerically pure complexes can be prepared starting with R,R- or S,S-1,2-diaminocyclohexane (R,R-trans-4 or S,S-trans-4). The high robustness of the complexes reduces a possible ligand scrambling and allows preparation of quasiracemic crystals of [Zn(R,R-5)][Fe(S,S-5)](ClO4)4·(CH3CN) composed of a 1 : 1 mixture of the Zn and Fe complexes with inverse chirality. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Ce travail de thèse est principalement centré sur l’étude des processus photophysiques fondamentaux de nouveaux composés organiques à transfert de charge dérivés de styrylpyridine, réalisée grâce à des mesures de fluorescence résolue en temps à l’échelle picoseconde et d’absorption transitoire à l’échelle femtoseconde. Nous nous sommes tout d’abord intéressés au comportement des états excités de deux nouvelles hémicyanines. Les molécules de diméthoxystyrylpyridine méthylées ont montré l’établissement d’un équilibre entre les conformations syn et anti différent à l’état excité comparé à l’état fondamental, représenté par un temps de décroissance rapide de fluorescence. La deuxième constante de temps correspond à la dépopulation de l’état excité par les voies non radiatives telles que l’isomérisation et le twist du donneur de charge (effet « loose-bolt »). Concernant le dérivé de styrylpyridinium où le groupement phényl a été remplacé par diméthlaminothiophene, nos études ont prouvé l’implication du mouvement de rotation du groupement méthylpyridinium ainsi que l’intervention du croisement inter-système comme voies de relaxation. Dans un second temps, nous nous sommes penchés sur les propriétés de complexation de la molécule de styrylpyridine sur laquelle a été substitué un éther-couronne. Nos études nous ont permis de mettre en évidence la présence de deux centres de complexation (un au centre de la couronne, l’autre sur l’azote de la pyridine) montrant une sélectivité différente vis-à-vis des cations métalliques. Les stoechiométries ont pu être confirmées par une analyse des temps de réorientation des complexes formés. Après avoir étudié les divers composés constituant des « briques » élémentaires en vue de systèmes supramoléculaires plus élaborés, nous nous sommes intéressés à leurs éventuelles applications avec l’étude de systèmes pour la collecte et le transfert d’énergie. Nous avons tout d’abord démontré l’existence d’un transfert d’énergie ultra-rapide (180 fs à 6 ps) et ultra-efficace (>99.7%) dans des systèmes bichromophoriques contenant deux styrylpyridines avec un éther-couronne et asymétrisés par l’introduction d’un cation Mg2+ dans une seule couronne. Celui-ci se fait de la partie complexée vers la partie non complexée par interaction coulombienne. Une autre application envisagée réside dans la construction de complexes à métaux de transition pour le stockage d’énergie ou le stockage d’information. Nous avons tout d’abord étudié la formation d’un système supramoléculaire basé sur le phénanthroline et contenant quatre éther-couronnes libres. Nous avons mis en évidence l’existence d’un équilibre entre états singulets et triplets excités dans ces composés complexés avec Cuivre(I) ou Argent(I). Dans un second temps, nous avons étudié la formation de complexes liant deux bipyridines substitués contenant un éther-couronne à un ion Fe2+. Un tel complexe présente des propriétés de transition de spin BS?HS. Nos études ont ensuite révélé la formation de complexes à métaux de transition de taille nanométrique lors de l’ajout d’ions Ba2+. / This Ph.D. work mainly deals with the study of fundamental photophysical processes of new styrylpyridine-type organic compounds showing charge transfer, realised using picosecond fluorescence and femtosecond transient absorption. We were interested first in the excited-state behaviour of two new hemicyanines. Methylated dimethoxystyrylpyridines molecules showed the establishment of an equilibrium between syn and anti conformations which is different in the excited state compared to the ground state, represented by a fast relaxation time of fluorescence. The second time constant corresponds to depopulation of the the excited state by non-radiative pathways as isomerization and donor twist (« loose-bolt »). Concerning styrylpyridinium derivative where phenyl group was replaced by dimethylaminothiophene, our studies proved involvment of rotation of methylpyridinium group and intersystem crossing as relaxation pathways. Secondly, we were interested in complexation properties of ether-crown susbstituted styrylpyridine molecule. Our studies showed the presence of two complexation centers (one in the center of the crown, the other one on the nitrogen of pyridine) having a different selectivity for metallic cations. Stoichiometries were confirmed by analysis of the reorientation times of formed complexes. After the study of our different compounds as elementary « building–blocks » for more complex supramolecular systems, we were interested in their potential applications with the study of systems for collection and energy transfer. First, we highlighted the existence of an ultra fast (180 fs to 6 ps) and ultra efficient (>99.7%) intramolecular energy transfer in bichromophoric systems containing two ether-crowned styrylpyridines and dissymetrised by binding of a Mg2+ cation in only one crown. It occurs from the complexed part to the non-complexed one by coulombic interaction. Another envisaged application can be the construction of complexes containing transition metals for energy or information storage. We studied first the building of a supramolecular system based on phenanthroline and containing four free ether-crowns We also proved that there exists an equilibrium between singlet and triplet excited states in these compounds complexed with Copper(I) or Silver(I). Secondly, we studied formation of complexes binding two ether-crown substituted bipyridines to a Fe2+ ion. Such a complex has got some spin crossover properties. Then, we showed that the addition of Ba2+ ions induce formation of transition metals complexes with nanometric size.

L’objectif principal de cette thèse est d’utiliser le calcul ab initio fondé sur la théorie de la densité fonctionnelle (DFT) pour calculer et comprendre la transition HS-BS de la molécule FePhen adsorbée sur un substrat métallique. Il s’agit d’abord de décrire les interactions entre FePhen et un substrat métallique ferromagnétique, comme le Co, ou un substrat paramagnétique comme l’or ou le cuivre. Nous avons calculé la barrière de potentiel nécessaire pour basculer la molécule de l’état BS à l’état HS en utilisant la méthode ’Nudged Elastic Band’ (NEB) et développé une méthode basée sur les principes de la méthode NEB, pour déterminer la trajectoire d’énergie minimale (TEM) de la molécule adsorbée sur un substrat métallique. Nous avons calculé le couplage ferromagnétique entre la molécule et le cobalt en fonction du nombre de couches intermédiaires de cuivre. Nous avons étudié en particulier (1) le rôle joué par les interactions van der Waals, (2) la modélisation de la microscopie à effet tunnel (STM) et (3) les propriétés de transport. Nous avons calculé les images STM en utilisant l’approximation de Tersoff et Hamann, qui montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux. Nous vons étudié les propriétés de transport de la molécule FePhen adsorbée sur une surface métallique, en utilisant le code Smeagol basé sur la méthode des fonctions de Green hors-équilibre, et le formalisme de Landauer. / The main objective of this PhD thesis is to use ab initio methods based on DFT to calculate and understand the mechanism of spin crossover phenomena in FePhen molecule adsorbed on a metallic substrate. We studied the structural, electronic and magnetic properties of the free and adsorbed FePhen molecule on a ferromagnetic metal substrate, such as cobalt, or a paramagnetic substrate such as gold or copper. We calculated the energy barrier required for the molecule to switch from low-spin to high-spin states using the ’Nudged Elastic Band’ (NEB) method. We also computed the ferromagnetic coupling between two magnetic layers, the magnetic FePhen molecule and the cobalt substrate according to the number of non-magnetic intermediate layer of copper. The focus is mainly on (1) the role played by van der Waals interactions, (2) the modeling of scanning tunneling microscopy (STM) and (3) the transport properties. We calculated the STM images using the Tersoff-Hamann approximation, which showed a good agreement with recent experimental STM images. We studied the transport properties of the adsorbed molecule FePhen on a metallic surface, using the Smeagol code which is based on the non-equilibrium Green’s function and Landauer formalism.

Comprendre les propriétés des interfaces molécules/métaux est d’une importance capitale pour la spintronique organique. La première partie porte sur l’étude des propriétés magnétiques de molécules de phtalocyanine de manganèse. Nous avons montré que les premières couches moléculaires forment des colonnes avec un arrangement antiferromagnétique sur la surface de Co(100). Ces dernières mènent à de l’anisotropie d’échange. La seconde partie porte sur l’étude d’une molécule à transition de spin, la Fe(phen)2(NCS)2, sublimée sur différentes surfaces. Nous avons identifié les états de spin d’une molécule unique sur du Cu(100). De plus, nous avons commuté l’état de spin d’une molécule unique pourvu qu’elle soit suffisamment découplée du substrat. / Understanding the properties of molecules at the interface with metals is a fundamental issue for organic spintronics. The first part is devoted to the study of magnetic properties of planar manganese-phthalocyanine molecules and Co films. We evidenced that the first molecular layers form vertical columns with antiferromagnetic ordering on the Co(100) surface. In turn, these molecular columns lead to exchange bias. The second part is focused on the study of a spin-crossover complex, Fe(phen)2(NCS)2 sublimed on different metallic surfaces. We identified the two spin states of a single molecules on Cu(100). By applying voltages pulses, we switched the spin state of a single molecule provided that it is sufficiently decoupled from the substrate.