La manipulation de la matière au niveau nanométrique a ouvert depuis une quinzaine d'années de nouveaux champs fondamentaux et applicatifs pour les scientifiques et les industriels. Dans ce nouveau paradigme, la nanoélectronique quantique se propose de fonder une nouvelle électronique basée sur les phénomènes quantiques de la matière et plus particulièrement sur la nature quantique des électrons. Ce projet de thèse s'articule autour d'un système électronique quantique hybride supraconducteur/nanotube de carbone (CNT) dénommé nano-SQUID. Ce dispositif présente une boucle supraconductrice contenant deux jonctions CNT en parallèle. Il couple de façon unique les propriétés d'un interféromètre supraconducteur SQUID avec celles de jonctions Josephson à boîte quantique moléculaire. A travers des expériences de transport réalisées, à des températures de quelques dizaines de milli-Kelvins, dans un cryostat à dilution inversé, nous avons étudié les interactions électroniques entre une boîte quantique nanotube et des électrodes supraconductrices. Nous nous sommes particulièrement focalisés sur l'influence de l'état de spin du nanotube sur le courant supraconducteur, qui peut, dans certaines conditions, conduire à la réalisation d'un jonction-. Par un contrôle électrostatique des paramètres microscopiques du dispositif nous avons ainsi pu définir un diagramme de phase expérimental des transitions 0- d'une jonction Josephson à boîte quantique. La dernière partie de cette thèse a porté sur l'utilisation du nano-SQUID comme magnétomètre. En effet, en couplant un aimant moléculaire au CNT composant le SQUID, il a été montré théoriquement qu'il est possible de détecter le retournement d'aimantation d'un spin unique. Nous avons ainsi couplé au nano-SQUID l'aimant moléculaire Double Decker Holmium et réalisé les premières mesures de détections magnétiques aux résultats prometteurs.

La spintronique moléculaire, domaine en pleine expansion, se propose de réunir les outils expéri- mentaux et théoriques propres à trois thématiques : le magnétisme moléculaire, l'électronique de spin, et l'électronique moléculaire. Le projet de ma thèse ne pouvait se réaliser sans la création préalable d'un transistor dont l'élé- ment central est une molécule unique. Cet objectif a été atteint grâce à l'utilisation de la technique d'électromigration, choix délicat puisque mis en œuvre dans un cryostat à dilution. Notre objectif était en effet de pouvoir effectuer des mesures à quelques dizaines de milliKelvins, et sous fort champ magnétique [0, ±9 T ]. A travers les expériences menées sur des molécules de fullerène, aussi appelées C60, nous avons étudié les interactions électroniques entre un objet de taille nanométrique et des électrodes métal- liques. La combinaison de mesures à très basse température et des propriétés des molécules (niveaux électroniques dégénérés, énergie de charge élevée) a permis d'observer une transition de phase quan- tique entre deux états magnétiques de symétries différentes. Nous avons également apporté de solides preuves expérimentales quant à l'observation d'un effet Kondo sous-écranté. La dernière partie de cette thèse a porté sur l'étude du transport électronique à travers l'aimant moléculaire N@C60. Celui-ci est constitué d'un atome d'azote placé à l'intérieur d'un fullerène. En effectuant différents types de spectroscopies magnétiques, nous avons quantifié les interactions entre cet atome et les électrons de conduction portés par la cage de C60.

Ce travail de thèse décrit (i) la synthèse de complexes hétérométalliques d'ions 3d et 4f à partir de précuseurs de Mn, Fe et Co, de sels de lanthanides et de ligands organiques et (ii) l'étude de leurs structures et propriétés. 41 complexes polynucléaires ont été synthétisés dans le cadre de ce travail. Les structures moléculaires de tous les composés ont été déterminées par diffraction des rayons X. Les propriétés magnétiques de 22 complexes ont été étudiées, dont quatre montrent une relaxation lente de leur aimantation considérée comme la signature d'un comportement de molécule-aimant. L'activité catalytique du complexe {Mn4Dy6Li2} calciné a aussi été étudiée et s'est avérée efficace pour l'oxydation du monoxyde de carbone. L'étude systématique de complexes isostructuraux de lanthanides a montré que l'incorporation d'ions 4f peut introduire de l'anisotropie magnétique et que l'ion DyIII est généralement le meilleur candidat pour le ciblage de molécules-aimants hétérométalliques 3d- 4f.

Le but de ce travail de thèse était de développer de nouvelles familles de ligands polyfonctionnels pour étudier, dans un premier temps, leur chimie de coordination vis-à-vis de métaux de transition et, dans un second temps, en fonction des espèces formées, leurs propriétés physiques (magnétiques par exemple) et/ou catalytiques. L’évaluation de leur potentiel pour la formation de nouveaux matériaux ou la fonctionnalisation de supports métalliques faisait également partie intégrante des objectifs de cette thèse. De ce fait, chaque ligand a été fonctionnalisé avec des groupements adaptés à l’ancrage sur surfaces, comme des fonctions zwitterioniques ou des thio-éthers. / The aim of this thesis was to develop new families of polyfunctional ligands to study their coordination chemistry towards transition metals and, depending on the products formed, to investigate their physical (e.g. magnetic) and / or catalytic properties. The evaluation of their potential for the formation of new materials as well as for the functionalization of metal surfaces was also part of the objective of this thesis. Therefore, each ligand has been functionalized with groups suitable for the anchoring on metallic surfaces, such as zwitterionic or thioethers moieties.

Face à la masse croissante de données, le stockage d'informations est devenu un enjeu d'importance capitale. Dans le domaine de l'adressage magnétique de l'information, la découverte de complexes de coordination se comportant comme des aimants classiques a réellement suscité un vif intérêt. Ces aimants moléculaires (Single-Molecule ou Single-Chain Magnet) montrent des hystérésis magnétiques leur conférant un effet de mémoire, laissant entrevoir la possibilité d'adresser un bit d'information à une molécule. Ainsi, la conception et l'étude des propriétés physiques de nouveaux composés à base d'aimants moléculaires sont devenues le centre de nombreux travaux de recherche à travers le monde. La mise en forme de ces objets en vue d'applications futures dans des dispositifs technologiques est également un sujet en plein essor. Dans le contexte actuel, le travail présenté ici reprend ces deux aspects. Une première partie est dédiée à l'organisation unidimensionnelle d'aimants moléculaires dans des silices mésoporeuses de type MCM-41 et SBA-15. Le travail présenté montre clairement toutes les difficultés de conception et d'étude de tels matériaux hybrides magnétiques. Les premiers résultats obtenus indiquent que les molécules-aimants sont détruites lors de l'insertion dans la silice. Toutefois, la mise en place d'un protocole de synthèse et de caractérisation efficace de tels matériaux est très positive et laisse la voie ouverte à de nombreuses nouvelles recherches dans ce domaine. La deuxième partie concerne la synthèse de nouveaux aimants moléculaires et leur utilisation pour former des réseaux de coordination 1D et 2D. La stratégie employée a permis l'obtention de nouvelles molécules-aimants dont l'étude magnétique a révélé des phénomènes quantiques rares tels les interférences de phases ou l'"exchange-bias quantum tunnelling". Egalement sept réseaux unidimensionnels et deux composés bidimensionnels ont été synthétisés. L'étude détaillée des propriétés magnétiques de trois de ces réseaux unidimensionnels composés de molécules-aimants en interaction antiferromagnétique, a montré des comportements très intéressants. D'une part, pour la première fois la relaxation lente de l'aimantation a été mise en évidence dans des composés antiferromagnétiques. D'autre part, fait encore inédit, l'analyse de cette relaxation montre clairement la polydispersité en taille des chaînes. L'étude préliminaire des propriétés magnétiques des autres réseaux de molécules-aimants permet d'ores et déjà de montrer qu'ils possèdent des comportements atypiques.

Ce travail de thèse décrit (i) la synthèse de complexes hétérométalliques d’ions 3d et 4f à partir de précuseurs de Mn, Fe et Co, de sels de lanthanides et de ligands organiques et (ii) l'étude de leurs structures et propriétés. 41 complexes polynucléaires ont été synthétisés dans le cadre de ce travail. Les structures moléculaires de tous les composés ont été déterminées par diffraction des rayons X. Les propriétés magnétiques de 22 complexes ont été étudiées, dont quatre montrent une relaxation lente de leur aimantation considérée comme la signature d’un comportement de molécule-aimant. L'activité catalytique du complexe {Mn4Dy6Li2} calciné a aussi été étudiée et s'est avérée efficace pour l'oxydation du monoxyde de carbone. L'étude systématique de complexes isostructuraux de lanthanides a montré que l'incorporation d’ions 4f peut introduire de l’anisotropie magnétique et que l’ion DyIII est généralement le meilleur candidat pour le ciblage de molécules-aimants hétérométalliques 3d- 4f. / This dissertation describes the syntheses of 3d-4f-metal complexes starting from preformed compounds of Mn, Fe and Co, lanthanide salts and organic ligands and also the investigation of their structures and properties. 41 new polynuclear heterometallic metal complexes were synthesised in the course of this work with different interesting properties. The structures of all obtained compounds have been confirmed using X-ray diffraction. The magnetic properties of 22 complexes were studied, of which four show frequency dependent out-of-phase signals as expected for SMMs. The catalytic activity of calcinated {Mn4Dy6Li2} was investigated and proved effective for the oxidation of CO. It was established, that the use of precursors leads to new families of compounds. Moreover the study of isostructural compounds across the lanthanide series showed 1) that the incorporation of 4f ions introduces magnetic anisotropy and 2) DyIII is usually the best candidate for targeting 3d-4f-SMMs.

Ce manuscrit retrace un certain nombre d'études des propriétés magnétiques d'aimants moléculaires (Mn12, V15, Ni12, Mn4, etc.) par diffusion inélastique des neutrons. L'apport spécifique des neutrons est mis en évidence notamment en ce qui concerne la spectroscopie des niveaux d'énergie magnétique et les implications concernant l'effet tunnel de l'aimantation dans ces systèmes hautement quantique.

Ce travail a été partagé en deux parties dédiées à (i) l'élaboration de sels de C60 (KC60) et la caractérisation de leurs propriétés physico-chimiques ; et (ii) à l'étude et l'analyse des propriétés magnétiques de dérivés du Bleu de Prusse. Notre but a été d'apporter des réponses expérimentales et théoriques aux résultats contradictoires publiés sur ces deux sujets. Pour cela, un effort particulier a été porté sur la maîtrise des conditions de synthèse du KC60 qui nous a permis de contrôler la nature de l'état fondamental. Cette étude a par ailleurs mis en évidence le rôle clef de l'insertion d'atome d'argon sur les propriétés électroniques de ces composés. En ce qui concerne les dérivés du Bleu de Prusse, nous avons montré que l'ordre magnétique observé à basse température est de nature ferrimagnétique et que cette phase magnétique possède une anisotropie magnétique originale induite dans ces matériaux par l'unité Mo(CN)7 4-.

La manipulation de la matière au niveau nanométrique a ouvert depuis une quinzaine d'années de nouveaux champs fondamentaux et applicatifs pour les scientifiques et les industriels. Dans ce nouveau paradigme, la nanoélectronique quantique se propose de fonder une nouvelle électronique basée sur les phénomènes quantiques de la matière et plus particulièrement sur la nature quantique des électrons. Ce projet de thèse s'articule autour d'un système électronique quantique hybride supraconducteur/nanotube de carbone (CNT) dénommé nano-SQUID. Ce dispositif présente une boucle supraconductrice contenant deux jonctions CNT en parallèle. Il couple de façon unique les propriétés d'un interféromètre supraconducteur SQUID avec celles de jonctions Josephson à boîte quantique moléculaire. A travers des expériences de transport réalisées, à des températures de quelques dizaines de milli-Kelvins, dans un cryostat à dilution inversé, nous avons étudié les interactions électroniques entre une boîte quantique nanotube et des électrodes supraconductrices. Nous nous sommes particulièrement focalisés sur l'influence de l'état de spin du nanotube sur le courant supraconducteur, qui peut, dans certaines conditions, conduire à la réalisation d'un jonction-. Par un contrôle électrostatique des paramètres microscopiques du dispositif nous avons ainsi pu définir un diagramme de phase expérimental des transitions 0- d'une jonction Josephson à boîte quantique. La dernière partie de cette thèse a porté sur l'utilisation du nano-SQUID comme magnétomètre. En effet, en couplant un aimant moléculaire au CNT composant le SQUID, il a été montré théoriquement qu'il est possible de détecter le retournement d'aimantation d'un spin unique. Nous avons ainsi couplé au nano-SQUID l'aimant moléculaire Double Decker Holmium et réalisé les premières mesures de détections magnétiques aux résultats prometteurs. / The manipulation of matter at the nano-scale has opened, since fifteen years, new fundamental and application avenues for science and industry. In this new paradigm, quantum nano-electronics propose to start a new electronics based on quantum effects of matter and more particularly on the quantum nature of electrons. This thesis project deals with an electronic hybrid superconductor/carbon nanotube (CNT) system called nano-SQUID. This device has a superconducting loop containing two CNT junctions in parallel. This unique system couples the properties of a superconducting interferometer (SQUID) with those of molecular quantum dot (QD) Josephson junctions (CNT junction). Through transport experiments performed in a reversed dilution cryostat at temperatures of several tens of milli-Kelvin, we studied the electronic interactions between a nanotube quantum dot and superconducting electrodes. We specifically focused on the influence of the magnetic state of the nanotube on the superconducting current flowing through. Depending on the QD spin state, the CNT Josephson junction can behave as a -junction. Finally a complete electrostatic control allowed us to define an experimental 0- phase diagram of a QD Josephson junction.

L’objectif consistant à élaborer des «aimants par conception» peut être atteint en adaptant les structures moléculaires des complexes de coordination. Les molécules conçues devraient présenter les caractéristiques requises pour des applications spécifiques, qui résultent de leur riche diversité structurale. Des complexes mononucléaires à base de Ni avec une grande anisotropie magnétique et des molécules polynucléaires à base de Ni et de Co sont préparés et étudiés dans cette thèse. Les synthèses, les études magnétiques et les propriétés électrochimiques des complexes contenant un ligand pontant non innocent sont étudiées. Les complexes mononucléaires Ni(II) à géométrie bipyramide trigonale sont préparés avec des ligands axiaux et les contre-anions différents. L'effet de la nature des ligands axiaux et du changement structural induit par les contre-anions sur l'anisotropie magnétique est étudié expérimentalement et analysé à l'aide de calculs théoriques. Des molécules organiques sont utilisées pour concevoir des complexes trinucléaires à grande anisotropie magnétique et à couplage d'échange faible. Plusieurs complexes polynucléaires à base de Ni et de Co où le TTC³⁻ agit comme un ligand pontant innocent et le HHTP³⁻ comme un ligand non innocent typique sont cristallisés avec diverses structures (TTC = Trithiocyanurate; HHTP = Hexahydroxytriphénylène). Pour les complexes contenant le ligand non innocent (HHTP), les anions radicalaires sont produits par électrochimie. La combinaison de la spectro-électrochimie et de la spectroscopie à résonance paramagnétique électronique couplée à des études d'électrochimie permet d'étudier la délocalisation des électrons sur les radicaux organiques générés et le couplage d'échange entre les ions métalliques. / The objective of elaborating “magnets by design” can be achieved by tailoring the molecular structures of coordination complexes. The designed molecules are expected to exhibit the characteristics required for specific applications, virtually resulting from their rich structural diversity. Mononuclear Ni-based complexes with large magnetic anisotropy and polynuclear Ni- and Co-based molecules are designed in this dissertation. The syntheses, magnetic studies, and electrochemical properties of the complexes containing non-innocent bridge ligand are investigated. The Ni(II) mononuclear complexes with trigonal bipyramid geometry are prepared by tuning the axial ligands and the counter anions. The effect of the nature of the axial ligands and the structural change induces by the counter anions on magnetic anisotropy is studied experimentally and analyzed with the help of theoretical calculations. Large organic molecules are used to design trinuclear complexes with large magnetic anisotropy and weak exchange coupling. Several polynuclear Ni- and Co-based complexes with TTC³⁻ acting as an innocent bridging ligand and HHTP as a typical non-innocent ligand, are crystallized with various structures (TTC = Trithiocyanurate; HHTP = Hexahydroxytriphenylene). For the complexes containing the non-innocent ligand (HHTP), radical anions are produced by electrochemistry. The combination of spectroelectrochemical and Electron Paramagnetic Spectroscopy coupled to electrochemistry studies allow investigating the delocalization of the electrons on the generated organic radicals and the exchange coupling among the metal ions.