Die ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) sagt voraus, dass die fortlaufende Miniaturisierung der Transistoren und Verdrahtungen auch neue Isolationsmaterialien mit äußerst niedrigen (ultralow) Dielektrizitätskonstanten k erfordern wird. Die Miniaturisierung der Bauteile der ULSI (Ultra Large Scale Integration) führt zu starken Anforderungen an die Fertigung der kritischen Bereiche (backend-of-line, BEoL). Die ITRS deutet darauf hin, dass die k-Werte bis zu 2.0 für die 45 nm Technologie reduziert werden müssen, und zu noch niedrigeren k-Werten (k  1.5) für die nachfolgenden Jahre. Ergänzend zur äußerst niedrigen dielektrischen Konstante müssen die Isolatoren auch über entsprechende mechanische Eigenschaften verfügen. Die vorliegende Arbeit stellt Forschungen vor, die das Ziel haben, mittels modernen ab-initio und halbempirischen theoretischen Methoden neuartige Isolationsmaterialien für zukünftige mikroelektronische Anwendungen zu entwerfen. Die umfangreichen eingesetzten Rechenmethoden wurden verwendet, um strukturelle und physikalische (mechanische, dielektrische und elektronische) Eigenschaften von entworfenen Zwischenschichtsdielektrika zu bestimmen. Eine neue Art von Materialien wird vorgestellt, die als ein möglicher Kandidat für isolierende ultralow-k dünne Schichte zwischen Metallleiterbahnen in zukünftigen CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) Technologien fungieren sollen. Die Struktur der neuartigen Materialien wird durch ein Modell beschrieben, das ein geordnetes dreidimensionales Netzwerk (Mosaikstruktur) darstellt. Dies besteht aus drei Hauptkomponenten: Knoten, Kanten und Topologie der Anordnung. Fullerenmoleküle (C60) werden als Knoten des Netzwerkes verwendet. Die Knoten werden durch Verknüpfermoleküle entlang der Kanten der Mosaikzelle angekoppelt. Dies wird durch kovalente Bindungen realisiert. Als Verknüpfermoleküle werden Kohlenwasserstoff- Kettenmoleküle verwendet. Einfache kubische, flächenzentrierte kubische und diamantähnliche Topologien werden für Anordnungen des Netzwerkes betrachtet. Das Innere einer Netzwerkzelle repräsentiert eine Nanopore der Größe in Bereich von 1 nm. Zunächst werden am Beispiel fluorierter Fullerene Probleme der molekularen Polarisierbarkeit untersucht. In Molekülen mit ionischem Beitrag zur Bindung kann der Beitrag der Kernverschiebungen (wegen des äußeren Feldes) zur statischen Polarisierbarkeit entscheidend sein. Mittels der Finite Field Methode wird die Struktur mit und ohne ein endliches äußeres elektrisches Feld optimiert. Dabei wird die Optimierung durch Minimierung der Gesamtenergie durchgeführt und die molekulare Polarisierbarkeit aus dem induzierten Dipolmoment bestimmt. In C60Fn erhöht meistens das Fluorieren die Polarisierbarkeit. Nur für n = 2 und 18, wobei das Molekül ohne ein äußeres Feld ein sehr großes Dipolmoment hat, wird die Polarisierbarkeit verringert. Für große Werte n (n = 20, 36 und 48) wird die Polarisierbarkeit pro zusätzliches Fluoratom wegen Kernverschiebungen deutlich erhöht. Die Modifizierung der Knoten des Netzwerkes wird betrachtet und die Anwendbarkeit des Additivitätsmodells diskutiert. Die Dielektrizitätskonstante des reinen flächenzentrierten kubischen Fullerengitters beträgt etwa 4.4. Die Einführung der Verknüpfermoleküle zwischen benachbarten Fullerenmolekülen und die gleichzeitige Verwendung von auf Kohlenstoffatomen basierten käfigförmigen Molekülen reduziert die Dichte des Materials. Dies ergibt eine beträchtliche Verringerung der makroskopischen Polarisierbarkeit des Materials. Die Struktureinheit, die aus zwei Fullerenmolekülen und einem Kohlenwasserstoff-Verknüpfermolekül besteht, wird mittels quantenchemischer Methoden (DFTB Molekulardynamik) optimiert. Es werden die Dichte der lokalen Dipole und elektronische Effekte betrachtet, um die effektive Dielektrizitätskonstante des Modells abzuschätzen. Die Berechnungen zeigen, dass k-Werte von etwa 1.4 erreicht werden können, wenn C6H12 Kettenmoleküle verwendet werden, um die C60-Moleküle im Netzwerk mit diamantähnlicher Symmetrie zu verknüpfen. Weiterhin werden molekulare Cluster mit angelegten periodischen Randbedingungen für einfache kubische und diamantähnliche Topologien konstruiert. Kombinationen der klassischen und quantentheoretischen Methoden werden eingesetzt, um die Struktur zu optimieren, Kompressionsmodule zu berechnen und die dielektrischen Eigenschaften der fullerenbasierten Materialien zu berechnen. Dies hat das Ziel, ultralow-k Isolatoren mit entsprechenden mechanischen Eigenschaften zu finden. Es wird die kovalente Verknüpfung der C60 Moleküle untersucht und sowohl die Länge und chemische Zusammensetzung des Verknüpfermoleküles als auch die Verknüpfungsgeometrie variiert. Gemäß dem entworfenen Modell werden Strukturen mit einfacher kubischer und diamantähnlicher Topologie des Netzwerkes als vielversprechende Kandidaten betrachtet. Die (statische) Dielektrizitätskonstanten k und Kompressionsmodule B sind für einige vorgeschlagene Materialien im Bereich von k = 1.7 bis 2.2 und beziehungsweise von B = 5 bis 23 GPa. Das Clausius-Mossotti Modell wird zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante der entworfenen Strukturen verwendet. In den nächsten Schritten der Arbeit werden die Wege der Verbesserungen für das vorgeschlagene Modell betrachtet. Es wird analysiert, auf welche Art Verknüpfermoleküle an die Knoten gebunden werden können, um die mechanischen und dielektrischen Eigenschaften der generierten ultralow-k Strukturen zu verbessern. Es gibt zwei mögliche verschiede Arten, die Verknüpfermoleküle > C = C < und > C – CH2 – CH2 – C < an das Käfigmolekül C60 anzukoppeln. Die Berechnungen zeigen, dass es im gegenwärtigen Verbesserungsschritt möglich ist, für die einfache kubische Topologie Eigenschaftskombinationen mit k = 2.2 und B = 33 GPa zu bekommen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine theoretische Methode ¬¬– sogenannter molekularer Entwurf – entwickelt und erfolgreich angewandt. Die theoretische Behandlung ist kompliziert, weil Wechselwirkungen im atomaren Skalabereich und auf einem strukturellen Niveau von 1 nm zusammen betrachtet werden müssen. Dies Verfahren erfordert die Anwendung komplementärer theoretischen Methoden, um das gesamte Problem beschreiben zu können. Die Methoden schließen klassische, kontinuierliche theoretische und quantenchemische Näherungen ein. Der Vorteil dieser Methode ist, dass verschiedene mögliche Kandidaten für ultralow-k Dielektrika theoretisch getestet werden können, ohne teure und zeitaufwendige Experimente durchzuführen. / The International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) predicts that continued scaling of devices will require insulating materials with ultralow dielectric constant k. The shrinking of device dimensions of ultra-large-scale integrated (ULSI) chips imposes strong demands on the backend of the line (BEoL) interconnect structures. The ITRS indicates that the k values need to be reduced to 2.0 for the 45 nm technology node or below (k  1.5) in the next few years. Additionally to extremely low dielectric constants, the insulating materials must have also suitable mechanical properties. The work represents research, which is aimed to support molecular design and investigations of modelled novel insulating materials for future application in microelectronics by means of theoretical ab-initio and semiempirical methods. A wide range of computational methods were used to estimate structural and physical (mechanical, dielectrical and electronic) properties of the designed interlayer dielectrics (ILDs). A new class of materials is presented that is supposed to be a potential candidate for isolating ultralow-k thin films between metal on-chip interconnects in future CMOS technology nodes. The structure of the novel materials is described by a model that assumes an ordered three-dimensional network (mosaic structure) consisting of three main components: nodes, edges and topology of arrangement. Fullerene (C60) molecules are used as the nodes of the network. The nodes are connected by linker molecules along the edges of the mosaic cells through a covalent bonding. Hydrocarbon chain molecules are used as the linkers. Simple cubic, face-centred cubic and diamond-like topologies of the network are considered. The interior of a network cell represents a nanopore of a 1-nm scale. At first problems of molecular polarizability are investigated considering the case of fluorinated fullerenes. In molecules with ionic contribution to the binding, the contribution of nuclear displacements (due to the external field) to the static polarizability can be decisive. Using the finite field method, the structure is optimized with and without a finite external electric field by a total energy minimization and the polarizability is calculated from the induced dipole moment. In C60Fn, fluorination mostly increases the molecular polarizability. Only for n = 2 and 18, where the molecule without an external field has a very large dipole moment, fluorination does decrease it. For large n (n = 20, 36, and 48), the polarizability per added F atom due to nuclear displacements is increased by a factor of about 2. The modification of the nodes of the network is considered and the validity of the additivity model is discussed. The dielectric constant of the pure fullerene face-centred cubic lattice is about 4.4. The introduction of bridge molecules between neighbouring fullerene molecules and the simultaneous usage of cage-like molecules based on carbon atoms reduces the density of the material. This results in a considerable decrease of the macroscopic polarizability of the material. The structural units of the models consisting of two fullerenes and a hydrocarbon bridge molecule are optimized by means of quantum chemical methods (DFTB molecular dynamics). The density of local dipoles and electronic effects are considered to estimate the effective dielectric constant of the models. It is shown that k values of about 1.4 can be obtained if C6H12 chain molecules are used to connect C60 molecules on a network with diamond-like symmetry. Further, molecular clusters with applied periodic boundary conditions are constructed for simple cubic and diamond-like topologies. Combinations of classical and quantum-theoretical approaches are used to optimize the structure, to calculate bulk moduli, and for the assessment of the dielectric properties of fullerene-based materials with the goal to find ultralow-k insulators with suitable mechanical properties. The covalent linking of C60 molecules is studied and the length and chemical composition of the linker molecule as well as the linkage geometry is varied. According to the molecular design-based model, structures with simple cubic and diamond-like topology of the network are proposed as promising candidates. The (static) dielectric constants k and elastic bulk moduli B of the proposed materials are in the range of k = 1.7 to 2.2 and B = 5 to 23 GPa, respectively. The Clausius-Mossotti-Model is used to estimate dielectric constants of the designed structures. In the next steps of the work the ways of improvements for the proposed model are considered. The way to connect linker molecules to the node molecules is analyzed, in order to improve the mechanical and dielectric properties of the generated ultralow-k structures. Two different types of bonding linker molecules to the cage C60 molecule with the > C = C < and > C – CH2 – CH2 – C < linker molecules are possible. It is shown that at the present improvement step it is possible to get property combinations with dielectric constant of k = 2.2 and bulk modulus of B = 33 GPa for the simple cubic topology. In this work a theoretical method called molecular design is developed and successfully applied. The theoretical treatment is difficult since interactions both on the atomic scale and on the structural level of 1 nm must be considered. This approach requires the application of complementary theoretical methods to describe the complex problems. The methods include classical, continuum theoretical and quantum-chemical approximations. The advantage of the present approach is that various possible candidates for ultralow-k dielectrics can be tested theoretically without performing expensive and time-consuming experiments.

Die Herstellung von Kompositschichten aus unterschiedlichen Materialien mit verbesserten Schichteigenschaften stellt einen in den letzten Jahren intensiv erforschten Bereich der Dünnschichttechnik dar. Eine Methode zur Präparation solcher Kompositschichten besteht darin, Nano- oder Mikropartikel in eine Matrix aus einem anderen Material einzubringen. In der vorliegenden Arbeit werden so bis zu einige Mikrometer dicke Kompositschichten untersucht, die mit einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt wurden und die bis zu 30 Gew.-% Wolframdisulfid-Partikel enthalten, welche als anorganische Fullerene typische Teilchengrößen von etwa 100 nm bis 200 nm aufweisen. Zwei unterschiedliche Arten an Kompositschichten mit eingebetteten Partikeln aus Wolframdisulfid werden hergestellt: Zum einen Schichten mit einer deutlich steiferen Matrix aus Aluminiumoxid und zum anderen Schichten mit einer Matrix aus organisch modifiziertem Siliziumoxid. Die strukturelle Charakterisierung der Schichten erfolgt über verschiedene analytische Verfahren. So werden die Kristallstruktur und chemische Zusammensetzung der Schichten mit Hilfe von Röntgenbeugungs- und Röntgenfluoreszenzmessungen sowie energiedispersiver Röntgenspektroskopie ermittelt. Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie werden verwendet, um Aufschluss über die Verteilung der Wolframdisulfid-Partikel und ihren Einschluss in die jeweilige Matrix zu erhalten. Weiterhin werden die Rauheit und das Versagen der Schichthaftung auf dem Substrat untersucht. Der Einfluss der inkorporierten Partikel sowie der Herstellungstemperatur der Proben auf die mechanischen Eigenschaften der Kompositschichten wie Härte und E-Modul werden experimentell mit Nanoindentationsmessungen sowie theoretisch mittels verschiedener Modelle für effektive Materialien ermittelt. Schließlich erfolgt eine Charakterisierung der tribologischen Eigenschaften der Kompositschichten im Vergleich zu undotierten Schichten aus Aluminiumoxid oder organisch modifiziertem Siliziumoxid. Mit Hilfe einer Kugel-Scheibe-Geometrie wird der Reibkoeffizient der Schichten unter verschiedenen Bedingungen gemessen. Dabei zeigt sich, dass bei ausreichender Menge des eingeschlossenen Wolframdisulfids ein reibungsmindernder Effekt auftritt, was vielversprechend für eine mögliche Anwendung solcher Kompositschichten ist. / The preparation of composite coatings consisting of different materials with improved properties has been an intensively studied area of thin film technology in recent years. One method to prepare such composite coatings is the incorporation of nano or micro particles into a matrix of a different material. In this thesis, such composite coatings are investigated which have been prepared via a sol-gel route und contain up to about 30 wt.-% tungsten disulfide particles. These inorganic fullerenes have typical particle sizes of about 100 nm to 200 nm. Two different types of composite coatings with a thickness of up to a few micrometers and with embedded tungsten disulfide particles are prepared: First, coatings with a relatively stiff alumina matrix, and second, coatings with a matrix made of organically modified silica. Different analytical methods are used for the structural characterization of the coatings. The crystal structure and the chemical composition of the coatings are determined via x-ray diffraction and x-ray fluorescence measurements and via energy-dispersive x-ray spectroscopy. Through scanning and transmission electron microscopy the incorporation and the distribution of the tungsten disulfide particles in the respective matrix are analysed. Furthermore, the roughness and the adhesion of the coatings on the substrate are investigated. The influence of the embedded particles and of the temperature of the final heat treatment during the sample preparation on the mechanical properties, like elastic modulus and hardness, of the composite coatings are measured through nanoindentation testing. These experimental results are compared with theoretical values determined via different analytical models for effective materials. Finally, the tribological behavior of the composite coatings is investigated in comparison to pure coatings made of alumina or organically modified silica. With ball-on-disc tests the coefficient of friction of the coatings is measured under different conditions. It can be seen that the incorporation of a sufficiently high amount of tungsten disulfide leads to a strong reduction of friction, which is promising for a possible application of such composite coatings.

Materials based on fullerenes and carbon nanotubes are very much different from most “traditional” materials, primarily because they are built from nanosized molecules with highly symmetry-dependent properties. Being the subject of a very active research field over the last twenty years, carbon nanostructures proved to be indeed extraordinary. Their splendid mechanical properties attract a great interest among material scientists. Their wide range of electrical properties, from ballistic conductors to insulators, makes them ideal candidates for future, better electronics. The possibilities seem to be nearly unlimited, with proposed applications ranging from quantum computing to medicine. However, in order to make it all happen one day, we first need to explore and understand the physics and chemistry of carbon nanomaterials. This work focuses on production and characterization of materials and structures in which fullerenes and/or carbon nanotubes are the main ingredients, and which can be produced or modified under high-pressure – high-temperature (hp-hT) conditions. Raman and photoluminescence spectroscopy, X-ray diffraction and scanning probe microscopy were employed for characterization of the samples. The research presented in this thesis is spread over a rather wide range of carbon nanomaterials. To highlight some of the main results – the first hp-hT polymerization of C60 nanorods and the C60-cubane compound is reported. The polymerization mechanism in the latter case was identified to be radically different from that in pure C60. The pressure-temperature diagram of C60-cubane is presented. A comparative study of C60 and C70 peapods under extreme p-T conditions reveals how the confinement affects the fullerenes’ ability for polymerization. Finally, in situ resistance measurements on Rb4C60 under high pressure show that the semiconducting character of this material persists at least up to 2 GPa, contradicting earlier reports on the existence of an insulator-to-metal transition and providing an insight into conduction mechanisms in this anomalous intercalated compound.

Η εφεύρεση του laser έδωσε την δυνατότητα μελέτης της αλληλεπίδρασης ύλης-φωτός σε υψηλές εντάσεις ακτινοβολίας με αποτέλεσμα να οδηγηθούμε σε φαινόμενα κατά τα οποία οι συνήθεις οπτικές παράμετροι δε μπορούν να θεωρηθούν σταθερές, αλλά εξαρτώνται από την ένταση. Σε αυτή την περίπτωση, η συχνότητα δύναται να μεταβληθεί κατά την διάδοση της ακτινοβολίας σε ένα μέσο, ενώ η αρχή της επαλληλίας κυμάτων παραβιάζεται. Ο κλάδος της μη γραμμικής οπτικής μελετά φαινόμενα αλληλεπίδρασης της ύλης με ακτινοβολίες υψηλής έντασης. Αυτά τα φαινόμενα προέρχονται από την μεταβολή των οπτικών ιδιοτήτων της ύλης λόγω ισχυρών ηλεκτρικών πεδίων και η μη γραμμικότητα αυτών των φαινόμενων έγκειται στο ότι η απόκριση του υλικού είναι μη γραμμική συνάρτηση της έντασης της ακτινοβολίας. Οι θεμελιώδεις φυσικές αρχές που διέπουν τα μη γραμμικά φαινόμενα έχουν πλέον πλήρως αποσαφηνιστεί και το ενδιαφέρον έχει πια στραφεί στην μελέτη των μη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων διαφόρων υλικών. Σκοπός των ερευνών αυτών αποτελεί η εύρεση υλικών με μεγάλη μη γραμμική απόκριση, που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές στις οπτικές τηλεπικοινωνίες και στην οπτική επεξεργασία της πληροφορίας (π.χ. ως οπτικοί διακόπτες). Σε αυτήν την εργασία λοιπόν μέσω των τεχνικών ΟΚΕ και Z-Scan, ασχοληθήκαμε με την μελέτη της μη γραμμικής απόκρισης μιας σειράς παραγώγων φουλλερενίων, οι οπτικές ιδιότητες των οποίων είναι άμεσα συνδεδεμένες με την δομή τους και τον τρόπο σύνδεσης των επιμέρους ενώσεων από τις οποίες αποτελούνται.Στο πρώτο μέρος αυτής της εργασίας παρατίθενται οι βασικότερες έννοιες της μη γραμμικής οπτικής και περιγράφονται ορισμένα πολύ σημαντικά μη γραμμικά φαινόμενα. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζονται οι τεχνικές ΟΚΕ και Z-Scan οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν για την μελέτη των μη γραμμικών οπτικών παραμέτρων των δειγμάτων των παραγώγων των φουλλερενίων στο πειραματικό μέρος της εργασίας αυτής και στη συνέχεια αναλύεται ο τρόπος επεξεργασίας των πειραματικών δεδομένων. Τέλος στο τρίτο μέρος περιγράφονται τα πειράματα που διεξήχθησαν, τα αποτελέσματα καθώς και τα συμπεράσματα που προέκυψαν. / The development of lasers has been a turning point in the history of science. It gave birth to the new field of nonlinear optics (NLO), which is the study of the interaction between intense light radiation and matter. In this regime, the response of matter cannot be considered linearly dependent on the intensity of the applied field, giving rise to significant new types of behavior and a wide spectrum of novel phenomena. Nonlinear optics has now become a rapidly growing field. It is at the forefront of progress in the area of photonics and optoelectronics. This vast development necessitates new materials with large nonlinearities, suitable for NLO applications in the laser and the optical communication technologies (e.g. optical switches). In that context, fullerenes have justifiably attracted considerable interest due to their intriguing physical and chemical properties; the extensive delocalization of their charge, as well as, their small reorganization energy can give rise to fast and high nonlinear optical response. Inevitably, the interest of the scientific community has now turned to the study of sophisticatedly altered fullerene derivatives. Depending on their ability to act as excellent electron acceptors, fullerenes are one of the most prominent chromophores that have been incorporated into multi-component molecular structures. Novel synthetic methods that enable the chemical modification of pristine molecules with electron donating moieties have been developed. This chemical functionalization of fullerenes can result in strong donor-acceptor interactions and photo-induced electron transfer, invigorating their nonlinear optical response. Their potential usage, which can range from photonics and photovoltaics implementations to applications in the biomedical area, is the main driving force of all this research. In the present study, the measurements were performed via the Z-Scan and the Optical Kerr Effect (OKE) techniques. The third order nonlinear susceptibility χ(3) and the second order hyperpolarizability γ of the derivatives were determined employing 4 ns and 35 ps laser pulses respectively, at excitation wavelength of 532 nm. In that respect, the main aim of the current study is threefold. Firstly, to provide a complete overview of the third order nonlinear parameters determined. Secondly, to briefly discuss the linkage between the observed nonlinearities with the molecular structures of the examinant hybrids, as well as, the possible effect of photo-induced charge transfer. Lastly, to shed light upon the role of the different pulse duration in the measurements and the dominant contributing physical processes related. Consequently, the first part of this work provides some basic concepts of nonlinear optics and the physical processes related with it. Then reference will be made to the experimental techniques used, including the fundamental background of the data analysis procedure. Finally, the nonlinearities observed in the picosecond and nanosecond regime are presented.

Η μοριακή αρχιτεκτονική και ο σχεδιασμός πολύπλοκων μορίων που περιέχουν φουλλερένια αντιπροσωπεύει ένα πεδίο της υπερμοριακής επιστήμης στο οποίο προσφάτως αναπτύσσεται έντονη ερευνητική δραστηριότητα. Η κατάλληλη «χημική τροποποίηση του φουλλερένιου» έχει οδηγήσει στον σχηματισμό μιας μεγάλης ποικιλίας υγροκρυσταλλικών παραγώγων του. Στην παρούσα διατριβή, με την εισαγωγή μιας απλής μοριακής θεωρίας του συναρτησιακού της πυκνότητας και με υπολογιστικές προσομοιώσεις, προσπαθούμε να συνδέσουμε την αυτοοργάνωση που εκδηλώνουν αυτά τα συστήματα με την μοριακή τους δομή και τις διαμοριακές αλληλεπιδράσεις. Στο πρώτο κεφάλαιο κάνουμε μια αναδρομή στο μόριο φουλλερένιο και στις χημικές δομές αυτού, που παρουσιάζουν ενδιαφέρον σε σχέση με υγροκρυσταλλική συμπεριφορά. Παρουσιάζουμε εν συντομία, με μια φαινομενολογική περιγραφή και ταξινόμηση, τις υγροκρυσταλλικές φάσεις που θα συναντήσουμε στα επόμενα κεφάλαια. Τέλος, αναφερόμαστε στις μεθόδους που χρησιμοποιούμε για τη θεωρητική μελέτη φουλλερενικών υγρών κρυστάλλων. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η στατιστική μηχανική και θερμοδυναμική εύκαμπτων μεγαλομοριακών συστημάτων. Προχωράμε στη διατύπωση της ακριβούς έκφασης της ελεύθερης ενέργειας Helmholtz στην κανονική συλλογή (NVT) για ένα μονοσυστατικό σύστημα εύκαμπτων μεγαλομορίων. Εισάγουμε την προσέγγιση των αλληλομετατρεπόμενων μοριακών «σχημάτων», ομαδοποιώντας τις μοριακές διαμορφώσεις σε έναν ορισμένο αριθμό «σχημάτων», ορίζουμε τη συνάρτηση κατανομής του ενός μορίου και αναπτύσσουμε την ελεύθερη ενέργεια σε σειρά χρησιμοποιώντας τη θεωρία των μεταβολών. Λαμβάνουμε μια προσεγγιστική έκφραση για την ελεύθερη ενέργεια κρατώντας τους όρους που προέρχονται από δυάδες ταυτόχρονα αλληλεπιδρώντων μορίων, αγνοώντας τους υπόλοιπους όρους. Δίνουμε τις αντίστοιχες εκφράσεις ανάλογα με τις συμμετρίες της υγρο-κρυσταλλικής φάσης, για τη μελέτη μοριακών συστημάτων των οποίων τα μόρια μπορούν να λαμβάνουν διάφορα σχήματα. Αναπτύσσουμε τις θερμοδυναμικές εκφράσεις για την περιγραφή των μετατροπών φάσης. Να σημειώσουμε ότι η συνάρτηση κατανομής του ενός μορίου είναι γινόμενο δύο παραγώντων: ο πρώτος όρος σχετίζεται με την πιθανότητα εύρεσης του απομονωμένου μορίου σε ορισμένο «σχήμα» και ο δεύτερος με την πιθανότητα εύρεσης του μορίου σε ορισμένο «σχήμα» και διευθέτηση στο υλικό. Γενικεύουμε την παραπάνω μεθοδολογία, στη μελέτη συστημάτων που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα είδη εύκαμπτων μορίων. Στο τρίτο κεφάλαιο εφαρμόζουμε την θεωρία των αλληλομετατρεπόμενων σχημάτων, για τη μελέτη της φασικής συμπεριφοράς τηγμάτων αδροποιημένων φουλλερενικών υγρών κρυστάλλων. Κάθε μόριο φουλλερενικού υγρού κρύσταλλου (ΥΚ) υποδιαιρείται σε έναν αριθμό τμημάτων ορισμένου τύπου. Εισάγουμε τρείς τύπους τμημάτων που αντιστοιχούν σε φουλλερενικές μονάδες, σε μεσογόνες μονάδες και σε μη μεσογόνες ή συνδετικές ομάδες. Η διαμοριακή αλληλεπίδραση υπολογίζεται με άθροιση επάνω σε όλα τα δυνατά ζεύγη τμημάτων μεταξύ δύο μορίων. Η κίνηση και η περιστροφή των μορίων θεωρούμε ότι πραγματοποιείται σε ένα κυβικό πλέγμα, και η μοριακή ευκαμψία εισάγεται επιπτρέποντας να λαμβάνουν έναν ελάχιστο αριθμό αντιπροσωπευτικών μοριακών σχημάτων, στο πλαίσιο της αναπαράστασής τους στο κυβικό πλέγμα. Πραγματοποιούνται υπολογισμοί για μια ποικιλία μοριακών αρχιτεκτονικών, που περιλαμβάνουν φουλλερενικούς ΥΚ με δίδυμους μεσογόνους βραχίονες, φουλλερενικούς ΥΚ με δίδυμους δενδριτικούς βραχίονες, και κωνικούς ή πυραμιδικούς φουλλερενικούς ΥΚ με απευθείας συνδεδεμένα μεσογόνα στην επιφάνεια του φουλλερένιου. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί αναπαράγουν σε εντυπωσιακά καλή συμφωνία τον υγροκρυσταλλικό πολυμορφισμό; τα σύνορα ευστάθειας των υγροκρυσταλλικών φάσεων, καθώς και η μοριακή οργάνωση σε αυτά, κατανοούνται με όρους διαμοριακών αλληλεπιδράσεων και μοριακής ευκαμψίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο διερευνούμε την φασική συμπεριφορά μιγμάτων άκαμπτων σωματιδίων. Τα σωματίδια κινούνται και περιστρέφονται σε ένα κυβικό πλέγμα. «Χτίζονται» από έναν ορισμένο αριθμό τμημάτων όπου καθένα έχει το μέγεθος μιας πλεγματικής κυψελίδας του κυβικού πλέγματος. Αρχικά, εξετάζουμε μίγματα αδροποιημένων φουλλερένιων (που καταλαμβάνουν μια πλεγματική κυψελίδα) με ραβδόμορφα και αλληλεπιδρούν με «σκληρές» αλληλεπιδράσεις. Διερευνούμε την εκδήλωση σμηκτικής, νηματικής ή ισότροπης συμπεριφοράς για κάθε συστατικό. Βρίσκουμε ότι εμφανίζουν σύνθετη φασική συμπεριφορά που συνίσταται στην συνύπαρξη δύο ή περισσοτέρων φάσεων εκ των οποίων μια τουλάχιστον είναι υγροκρυσταλλική (νηματική ή σμηκτική). Η σμηκτική φάση αποτελείται από διαδοχικά στρώματα ράβδων που εναλλάσσονται από υποστρώματα φουλλερένιων. Ελέγχουμε την αξιοπιστία της θεωρίας, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα που λαμβάνουμε με την υπάρχουσα βιβλιογραφία σε θεωρητικά αποτελέσματα για παρόμοια συστήματα. Διαπιστώνουμε συμφωνία ως προς την φασική συμπεριφορά και την οργάνωση μέσα στην σμηκτική φάση και προχωράμε σε προβλέψεις. Διερευνούμε τον ρόλο της «μη φιλικότητας» των σωματιδίων στην φασική συμπεριφορά, ενισχύοντας την «φοβικότητα» μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων (μέσω τροποιήσης του διασωματιδιακού δυναμικού αλληλεπίδρασης). Οι υγροκρυσταλλικές φάσεις τότε μπορούν να «υποστηρίξουν» μικρότερες ποσότητες φουλλερενίων, ενώ η σμηκτική φάση (με υποστρώματα φουλλερενίων) καθίσταται ευσταθής σε μια στενή περιοχή του διαγράμματος φάσης πίεσης - συγκέντρωσης. Στην συνέχεια εξετάσαμε μίγματα δισκόμορφων σωματιδίων και φουλλερένιων και την σχετική ευστάθεια στην εκδήλωση ισότροπης, νηματικής, σμηκτικής και κιονικής φάσης. Τα σωματίδια αλληλεπιδρούν με «σκληρό» δυναμικό ενώ στην συνέχεια, εξετάζουμε και την επίδραση της «φοβικότητας» μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων στη φασική συμπεριφορά. Η σμηκτική φάση είναι απούσα σε όλες τις περιπτώσεις που εξετάσαμε; παρατηρούμε θερμοδυναμικά ευσταθείς κιονική και νηματική. Και πάλι διαπιστώνουμε ότι η ενίσχυση της «φοβικότητας» μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων έχει σαν αποτέλεσμα στις υγροκρυσταλλικές φάσεις να αναμιγνύονται μικρότερες ποσότητες φουλλερένιων. Για λόγους πληρότητας σε σχέση με τα παραπάνω συστήματα, εξετάσαμε μίγματα σωματιδίων από συστατικά που το καθένα μπορεί να εκδηλώσει ΥΚ συμπεριφορά, δηλαδή μίγματα δισκόμορφων με ραβδόμορφα σωματίδια. Τα σωματίδια αλληλεπιδρούν αποκλειστικά με «σκληρό» δυναμικό. Λαμβάνουμε ποιοτικά αποδεκτά αποτελέσματα όσον αφορά την τοπολογία του διαγράμματος φάσης στην περιοχή συνύπαρξης νηματικής καλαμιτικής και νηματικής δισκοτικής φάσης. Επιπρόσθετα προβλέπουμε την συνύπαρξη νηματικής καλαμιτικής με κιονική φάση. Τα αποτελέσματα αυτού του κεφαλαίου μπορούν να χρησιμεύσουν για την μελέτη περισσότερο πολύπλοκων συστημάτων, που θα περιλαμβάνουν μόρια τα οποία μπορούν να λάβουν περισσότερες από μια διαμόρφωση, και διαφορετική παραμετρικοποίηση στα δυναμικά αλληλεπίδρασης. Στο πέμπτο κεφάλαιο εξετάζουμε την φασική συμπεριφορά αδροποιημένων φουλλερενικών ΥΚ που περιλαμβάνουν δενδριμερή τύπου Percec. Τήγματα των παραπάνω φουλλερενικών ΥΚ εκδηλώνουν κιονική φάση. Στη μοντελοποίηση των μορίων ομαδοποιούμε τις μοριακές διαμορφώσεις σε ένα μοριακό σχήμα. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί πραγματοποιούνται σε ένα κυβικό πλέγμα. Τα μόρια αποτελούνται από ένα φουλλερένιο (που καταλαμβάνει ένα τμήμα -μια πλεγματική κυψελίδα- ) και από έναν ορισμένο αριθμό τμημάτων, για την περιγραφή του δενδριτικού μέρους του μορίου. Σε μια ευρεία περιοχή των υπολογισμένων, με τη μοριακή θεωρία, διαγραμμάτων φάσης εκδηλώνουν κιονική συμπεριφορά; τα μόρια στην κιονική φάση αυτοσυναρμολογούνται σε δισκόμορφες πεπλατυσμένες υπερμοριακές δομές οι οποίες με την σειρά τους τοποθετούνται η μια πάνω στην άλλη σχηματίζοντας κίονες. Τα αποτελέσματα αυτά είναι σε ποιοτική συμφωνία με πειραματικά αποτελέσματα ανάλογων συστημάτων. Μεταβάλλοντας τη «φοβικότητα» φουλλερένιων - δενδριτικών τμημάτων παρατηρούμε την εμφάνιση δύο σμηκτικών φάσεων που διαφέρουν στον βαθμό αλληλοδιείσδυσης των δενδριτικών μερών μέσα στο σμηκτικό στρώμα. Στην συνέχεια εξετάσαμε την επίδραση που έχει στη φασική συμπεριφορά αυτών των τηγμάτων φουλλερενικών ΥΚ η προσθήκη φουλλερένιων. Η οργανωμένη κιονική φάση του μίγματος μπορεί να υποστηρίξει μικρές ποσότητες «ελεύθερων» φουλλερενίων τα οποία διατάσσονται γύρω από τους άξονες των κιόνων. Στο έκτο κεφάλαιο εξετάζουμε την φασική συμπεριφορά μονοσυστατικών κωνικών (ή πυραμιδικών) φουλλερενικών ΥΚ με την εκτέλεση μοριακών προσομοιώσεων Monte Carlo (NVT) σε κυβικό πλέγμα. Αρχικά, εκτελούμε μοριακές προσομοιώσεις αθερμικoύ σύστηματος (με διαμοριακές αλληλεπιδράσεις στερικής άπωσης) για μια σειρά πυκνοτήτων και διαπιστώνουμε ότι το σύστημα μεταβαίνει από μια κιονική φάση στην ισότροπη. Στην συνέχεια θέτουμε την παραμετρικοποίηση των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων ίδια με εκείνη των αντίστοιχων μοριακών συστημάτων που μελετήσαμε με θεωρία στο τρίτο κεφάλαιο. Εξετάζουμε την φασική συμπεριφορά του συστήματος σε ορισμένη πυκνότητα, για μια σειρά θερμοκρασιών. Παρατηρούμε ότι εμφανίζεται μια μετατροπή φάσης, ισότροπης σε μια απολική τετραγωνική κιονική φάση τόσο κατά την ψύξη όσο και κατά την θέρμανση. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα που λαμβάνουμε δεν μπορούν να συγκριθούν με το πλήρες θεωρητικό διάγραμμα που παρέχει η μοριακή θεωρία για αυτά τα συστήματα, επειδή στις μοριακές προσομοιώσεις που εκτελέσαμε εστιάσαμε σε ορισμένη πυκνότητα. Επιτυγχάνεται ποιοτική συμφωνία ως προς την πρόβλεψη εμφάνισης κιονικής φάσης. Τέλος, στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζουμε τα συμπεράσματα της διατριβής. / The covalent linkage of [C60] fullerene to liquid crystalline (LC) chemical compounds has produced a great variety of non-conventional liquid crystals. Herein, we introduce a coarse grained description for the molecular modeling of these systems which takes into account the elements of primary importance for their mesomorphic behavior: the global molecular shape, the molecular flexibility and the submolecular partitioning into chemically distinct regions. A simple molecular theory and computer simulations studies are used to relate the self-organization exhibited by these systems to their molecular structure. The molecules are constructed by a number of submolecular blocks to which specific block-block interactions are assigned. We have introduced three different types of blocks: fullerene units, mesogenic units and non-mesogenic units (i.e. flexible spacers and linkage groups). The total interaction of the molecular ensemble is then built up as a combination of all block - block interactions within the ensemble. For reasons of simplicity, the molecules are constrained to move and rotate in a cubic lattice. The theoretical calculations are initially applied to a variety of mono dispersed fullerene containing LCs, including: twin mesogenic branch monoadducts of C60, twin dendromesogenic branch monoadducts of C60, simple dendromesogenic branch monoadducts and conical (badminton shuttlecock) multiadducts of C60. The latter system is also studied by computer simulations. In spite of its many simplifications, the coarse-grained molecular model accounts remarkably well for the phase polymorphism of these systems and offers valuable insights into the conformational aspects of the phase transitions. Keeping the simplicity of the above modeling, the phase behavior of binary mixtures of "fullerene" with anisotropic particle (rodlike or disklike) and binary mixtures of rodlike and disklike particles is also studied. We compare the predicted phase behavior with the existing theoretical (hard rodlike and disklike particles) and experimental (colloidal systems) results. Finally attempts are made to study how the molecular organization of mono dispersed fullerene containing LC systems is influenced by the addition of non-bonded fullerenes. The theoretical approach is quite general and can be applied to a variety of systems such as, liquid crystalline dendrimers and mixtures of colloidal particles.

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η ετερογενοποίηση της αντίδρασης φωτοξείδωσης του 2 μεθυλ 2 βουτενίου προς αλλυλικά υδροπεροξείδια με τη χρήση φωτοκαταλυτών που περιέχουν φουλερένιο C60 στηριγμένο σε οξειδικούς φορείς. Το φουλερένιο C60 είναι γνωστό για τη δράση του ως φωτοευαισθητοποιητής της παραγωγής οξυγόνου απλής κατάστασης (singlet oxygen) κατά την ακτινοβόληση με ορατή ακτινοβολία, το οποίο πραγματοποιεί την οξείδωση αλκενίων μέσω της αντίδρασης Schenck-Ene. Ήταν επιθυμητό να παρασκευαστούν καταλύτες στους οποίους το C60 να διαθέτει σταθερή ομοιοπολική σύνδεση με την επιφάνεια των φορέων. Αυτό πραγματοποιήθηκε μέσω της σύνθεσης ενός μονοϋποκατεστημένου μεθανοφουλερενικού παραγώγου, το οποίο συνδέθηκε με την επιφάνεια των φορέων (Grafting). Επιπλέον, τα υλικά σχεδιάστηκαν έτσι, ώστε να παρέχουν τη δυνατότητα της πλήρους και ελεγχόμενης αποκοπής κάτω από κατάλληλες συνθήκες, γεγονός που επιτρέπει τον έλεγχο της ακεραιότητας του C60 μετά από χρήση του σε αντίδραση ή μετά από θερμική ή χημική κατεργασία. Παράλληλα παρασκευάστηκαν καταλύτες με κλασικές μεθόδους σύνθεσης ετερογενών καταλυτών. Ως φορείς χρησιμοποιήθηκαν η SiO2 και η Al2O3. Τα υλικά που παρασκευάστηκαν, μελετήθηκαν ως προς τη φωτοκαταλυτική τους δράση ως προς την αντίδραση φωτοξείδωσης του 2 μεθυλ 2 βουτενίου και έγινε σύγκριση τους με βάση τον τρόπο παρασκευής και το φορέα στήριξης. Ακόμη, έγινε σύγκριση της ετερογενούς διεργασίας με την ανάλογη ομογενή. Τα υλικά εμφάνισαν στο σύνολο τους φωτοκαταλυτική δράση στην παραπάνω αντίδραση. Σε κάθε περίπτωση οι στηριγμένοι σε SiO2 καταλύτες εμφάνισαν υψηλότερη δραστικότητα από τους αντίστοιχους που παρασκευάστηκαν σε φορέα Al2O3. Ακόμη, τα υλικά που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο Grafting σε φορέα SiO2 παρουσίασαν την υψηλότερη δραστικότητα ανάμεσα σε όλους καταλύτες που εξετάστηκαν. Η δραστικότητά τους ήταν μάλιστα υψηλότερη και από την αντίστοιχη που παρατηρήθηκε κατά τη χρήση ισομοριακής ποσότητας C60 σε ομογενή αντίδραση αλλά μικρότερη από αυτή των γνωστών φωτοκαταλυτών Rose Bengal και TPP (5,10,15,20-τετραφαινυλο-21Η,23Η-πορφυρίνης). Τέλος, μελετήθηκε η θερμική σταθερότητα των υλικών κάτω από οξειδωτικές συνθήκες. Διαπιστώθηκε ότι η σύνδεση του C60 στην επιφάνεια των φορέων με τη μέθοδο Grafting εμφανίζει γενικά παρόμοια θερμική σταθερότητα σε σχέση με τους καταλύτες που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο του Υγρού Εμποτισμού. / The scope of this dissertation was the heterogenization of the photooxidation reaction of 2-methyl-2-butene towards allylic hydroperoxides with the use of fullerene C60 containing catalysts supported on oxide carriers. The reaction was known to be efficient under homogeneous conditions. The photooxidation of alkenes is conducted by singlet oxygen (1Δg) which is produced by photosensitizers. C60 is known for its photosensitizing ability to produce singlet oxygen under visible irradiation. It was a requirement that C60 would be connected through stable and covalent bonding to the catalysts surface. This became possible through the preparation of a monosubstituted methanofullerene which was subsequently attached through covalent bonding to the surface of the carriers (Grafting). Additionally, a key requirement in the materials design was to provide us with the ability of controlled -under the appropriate conditions- and quantitative detachment of the part which bears C60, and its recovery in solution. This is important because it allows us to examine possible changes in the C60 molecule after the material’s use in catalytic processes or after its thermal or chemical treatment. Employing well-known methods of heterogeneous catalysts synthesis catalysts with the corresponding % molar concentration in C60 were also prepared. The photocatalytic behavior of the prepared materials was investigated in the photooxidation reaction of 2-methyl-2-butene. The effect of carrier and preparation method was also investigated. A comparison was also made with the homogeneous case. The prepared materials were all efficient catalysts in the photooxidation reaction of 2-methyl-2-butene. In all cases, the supported on SiO2 catalysts showed higher reactivity than the corresponding ones supported on Al2O3. Moreover, the catalysts prepared with the Grafting method on SiO2 showed the highest reactivity among all the catalysts examined. The reactivity was higher than in the homogeneous case using equimolar solutions of C60 but lower to the reactivity recorded in the case of the well established photosensitizers Rose Bengal and Tetraphenylporphine (TPP). Finally, the thermal stability of the prepared materials under oxidative conditions was studied._It was realized that materials prepared through Grafting show generally similar thermal behavior with the catalysts prepared with the Incipient Wetness method.

Recent carbon allotropes such as carbon nanotubes (CNTs), fullerenes (C60s) and graphene have attracted great interests in both science and engineering due to their unique properties such as excellent electrical and mechanical properties as well as its vast surface area, and have led to many commercial applications. Especially, CNTs have been considered to be one of the promising candidates in the Li ion battery system because of its outstanding properties. However, the experimental results in the pristine CNT system have shown just slight improvement than original graphitic carbon material, which has been attributed to the weak adsorption of Li on CNTs. In this study, we investigated two types of CNT-C60 hybrid system consisting of CNTs and C60s to improve Li adsorption capabilities and predict its performance through quantum mechanical (QM) computations. First, we investigated adsorption energy of lithium (Li) on dilute CNT-C60 hybrid and CNT-C60 nanobud system as well as various electronic properties such as band structure, density of states (DOS), molecular orbital and charge distribution. Then, we expanded our interest to the more realistic condensed structure of CNT-C60 hybrid and nanobud system to examine actual electrochemical characteristics. The study of the condensed structure has been expanded to the very unique CNT-C60 nano-network system and examined mechanical strength as well as electronic properties. Finally, Li adsorption on other carbon allotropes system such as graphene-C60 hybrid and graphene-C60 bud system was investigated in order to provide fundamental understanding of electronic interaction between carbon allotrope and effect of Li adsorption.

The study of optical, thermal and electronic properties of liquid-crystalline systems has attractedd an enormous interest of the scientific community, due to the potencial applicability of such systems in eletroc-optical devices. In this work, the effects of C60 fullerene addition on the physico-chemical properties of liquid crystals are investigated. By using different experimental techniques, it was possible do determine how the addition of a non-mesogenic and electron donor compound affects important physical parameters, such as the thermal diffusivity and the non-linear refractive index. From time-resolved Z-scan measurements, the thermo-opitical properties of the fullerene-doped and pure liquid crystal samples are investigated.Our results show that the insertion of fullerene reduces the nematics-smectic-A transition temperature, as well as affects the heat diffusion mechanisms in nematic and smectic phases. Concerning the non-linear optical properties, it is observed that the optical Freedericskz transition presents a continuous nature in the nematic phase, with the number of self-modulation rings increasing as the excitationa intensity is enhanced above the Freedericskz threshold. Further, it is observed that the addition of fullerene increases the non-linear optical reponse of the system. Using the two-beam coupling technique and photoconductivity measurements in the steady-state regime, the transport and photorefractive properties of doped sample are also analyzed. / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / O estudo de propriedades ópticas, térmicas e eletrônicas de sistemas líquido-cristalinos tem atraído enorme interesse da comunidade científica, por conta do grande potencial de aplicação destes sistemas em dispositivos eletro-ópticos. Neste trabalho, são investigados os efeitos da adição de fulereno C60 sobre as propriedades físico-químicas de cristais líquidos. Usando diferentes técnicas experimentais, foi possível determinar como a adição de um agente não-mesogênico e doador de elétrons afeta parâmetros físicos importantes, tais com a difusividade térmica e o índice de refração não-linerar. A partir de medidas de varredura Z resolvida no tempo, as propriedades termo-ópticas das amostras de cristal líquido puro e dopado com fulereno são investigadas. Nossos resultados mostram que a inserção de fulereno reduz a temperatura de transição nemática-esmética-A, bem como afeta os processos de difusão de calor nas fases nemática e esmética-A. No que diz respeito às propriedades ópticas não-lineares, é observado que a transição de Freedericskz óptica apresenta uma natureza contínua na fase nemática, com o número de anéis de auto-modulação de fase aumentado à medida que intensidade da excitação cresce acima do limiar de Freedericskz. Além disso, é observado que a adição de fulereno aumento significativamente a resposta óptica não-linear do sistema. Usando a técnica de acoplamento de dois feixe e medidas de fotocondutividade no regime estacionário, as propriedades de transporte das amostras dopadas também são analisadas.

Nous avons synthétisé différentes dyades donneurs-accepteurs (D-A) π-conjuguées à base de fullerène pour des applications photovoltaïques dans lesquelles les unités D étaient soit des oligophenylenevinylenes (OPV) soit des oligophenyleneethynylene (OPE) et les unités A étaient le C60 ou un endofullerène du type Y3N@C80. Il y avait une exigence supplémentaire pour nos matériaux, à savoir qu’ils devaient s’auto-organiser en phases liquides-cristallines. Pour ce faire, toutes les unités D contenaient un promoteur mésogène afin d'induire le mésomorphisme de la dyade D- et donc de contrôler la morphologie des couches minces nécessaires à l’élaboraiton des cellules photovoltaïques grâce à une organisation supramoléculaire. En dehors de cela, nous avons étudié l’influence de la nature chimique du donneur (par exemple lyophile ou amphiphile), de la longueur des oligomères et de la multiaddition sur les propriétés photophysiques et sur l'auto-assemblage. Nous avons synthétisé une dyade OPE-Y3N@C80 qui est le premier dérive mésomorphe et photosensible de ce type de métallofullerène endohédral. / We have synthesized different π-conjugated system-fullerene dyads for photovoltaic applications, where the donor units were either oligophenylenevinylene (OPV) or oligophenyleneethynylene (OPE) derivatives and for the acceptor, C60 or Y3N@C80 was used. There was an additional requirement for our materials: liquid crystallinity. All the donor units contained a mesogenic promoter in order to induce mesomorphism in the D-A dyad and to control the morphology of the prepared film through supramolecular organization. Apart from that, we investigated the effect of the chemical nature of the donor moiety (ie. lyophilic or amphiphilic), the oligomeric length and multiaddition on the photophysical properties and on the self-assembly. We have synthesized an OPE-Y3N@C80 dyad which is the first trimetallic nitride template endohedral metallofullerene derivative with mesomorphic and photoactive properties.

Submitted by Vasti Diniz (vastijpa@hotmail.com) on 2017-09-18T14:40:44Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 5994670 bytes, checksum: 2dd7a3577c0cc6ee44dd8eb7435dfaaf (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-18T14:40:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 5994670 bytes, checksum: 2dd7a3577c0cc6ee44dd8eb7435dfaaf (MD5) Previous issue date: 2015-02-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this thesis we study the dynamics of charge carriers, and the electronic properties, of the C60 fullerene molecule. Characterizing it by a geometric bias. In inertial reference systems and when we have your material under rotation content. Initially we discussed the scientific advent of carbon allotropes, and the importance of modelling its derivates at low energies. We show that at low energies, the graphene - the two-dimensional carbon allotrope form - can be described for a non-massive theory of free fermions. At a second moment, we extended the nonmassive free fermions theory for the C60 molecule. Assuming the hexagonal graphene network can be entered in fullerene when we introduce topological defects. A brief study of topological defects in condensed matter was done. And soon after, we made a description these defects via a non-Euclidean geometry. Showing how the charge carriers in the network see the defects like gauge fields. Then we began to expose the results of this thesis. First we assume the fullerene by a two-dimensional spherical metric with defects, containing a fictitious t’Hooft-Polyakov monopole in its center. TheC60 is still subjected to the action of an Aharonov-Bohm flux arising of a magnetic wire running through its poles. So we get the spectrum, and the prediction of a persistent current in the molecule. Finally we return to the analysis of the molecule, now with your content of matter under rotation. For this, we studied a metric Gödel-type with spherical symmetry. We discussed the problem of causality and obtain the spectrum and the persistent current in terms of the vorticity (W) of spacetime. / Nesta tese estudamos a dinâmica de portadores de carga, e as propriedades eletrônicas, na molécula de fulerenoC60. Caracterizando-a por um viés geométrico. Tanto em sistemas de referência inercial, como quando temos seu conteúdo de matéria sob rotação. Inicialmente abordamos o advento científico das formas alotrópicas do carbono e a importância da modelagem a baixas energias dos seus derivados. Onde mostramos que no limite de baixas energias, o grafeno - que trata-se da forma alótropica bidimensional do carbono - pode ser descrito por uma teoria de férmions livres sem massa. Num segundo momento estendemos a teoria de férmions não massivos para a molécula de C60. Assumindo que a rede hexagonal do grafeno pode inscrever o C60 ao introduzirmos alguns defeitos topológicos. Um breve estudo sobre os defeitos topológicos na matéria condensada foi feito. Onde, logo em seguida, partimos para uma descrição de tais defeitos via uma geometria não-euclidiana. Mostrando como os portadores de carga no meio enxergam os defeitos como campos de gauge. Em seguida começamos a expor os resultados desta tese. Primeiramente assumimos tratar o fulereno por uma métrica de uma esfera bidimensional com defeitos, e contendo um monopolo de t’Hooft-Polyakov fictício em seu centro. O C60 é ainda submetido a ação de um fluxo de Aharonov-Bohm advindo de uma corda magnética quiral transpassando seus polos. Obtemos assim o espectro e a predição de uma corrente persistente na molécula. Por fim retomamos a análise da molécula, agora com seu conteúdo de matéria sob rotação. Para isso assumimos tratar o fulereno por uma métrica do tipo Gödel com simetria esférica. Discutimos o problema da causalidade e obtemos espectro e corrente persistente em termos da vorticidade (W) do espaço-tempo.