Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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We studied the structural instabilities of one-dimensional (1D) and quasi-one-dimensional (Q1D) electron-phonon systems at low temperature through two models, SuSchrieffer-Heeger (SSH) and molecular crystal (CM) with and without spin. The phase diagrams are obtained using a Kadanoff-Wilson renormalization group approach (GR). For the 1D half-filled system the study of the frequency dependence of the electronic gap allowed us to connect continuously the two limits, adiabatic and non-adiabatic. The Peierls and Cooper channels interference and the quantum fluctuations reduce the gap. A regime change occurs when the frequency becomes of the order of mean field gap, marking a quantum-classical crossover that is the Kosterlitz-Thouless type. At this level, the effective coupling behaves in power law function on frequency. For the case with spin, a gapped Peierls state is maintained in the non-adiabatic limit, while for the case without spin, the system transits to ungapped disordered state, namely the Luttinger liquid stat (LL). For the SSH model without spin, the GR confirms the existence of a threshold phonon coupling beyond which the gap is restored. The study of the rigidities of the two models without spin allowed us to trace the main features of the LL state predicted by the bosonization method. The study of the Holstein-Hubbard model has allowed us not only to reproduce the phase diagrams already obtained by the Monte Carlo method, but to highlight two additional phases, namely, free fermions phase and the bond charge-density-wave phase. We have extended this study to the quarter-filled Q1D Peierls systems at finite temperature. Within the SSH model, an unconventional superconducting phase with spin singlet symmetry SS-s emerges at low temperature when the deviation to the perfect nesting of the Fermi surface is strong enough. Peierls-SS transition is characterized by the presence of a quantum critical point at low frequency and by a power law behavior of the transition temperature as a function of frequency with an exponent identical to one of 1D system. This exponent which universality has been verified contrasts with the BCS result. Coulomb interactions have been introduced through the study of the extended SSH-Hubbard model. The extension of this work to half-filled SSH and CM cases was also performed.

Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit ultraschnellen Relaxationsprozessen in quasi-eindimensionalen organischen Molekülkristallen. Als Modellsystem wird das Perylenderivat MePTCDI untersucht. Mit verschiedenen Methoden der optischen Ultrakurzzeit-Spektroskopie werden Prozesse der Exzitonen- und Phononenrelaxation in der Zeit-Domäne untersucht. Die dafür aufgebauten Experimente erreichen eine Zeitauflösung von 20 Femtosekunden. Durch optische Anregung der niedrigsten elektronischen Übergänge werden in einem organischen Molekülkristall freie Exzitonen mit Wellenvektor k=0 gebildet. Dabei werden gleichzeitig zahlreiche intramolekulare und intermolekulare Schwingungsfreiheitsgrade angeregt. Die Anregung mit fs-Laserpulsen führt zum Aufbau kohärenter Schwingungswellenpakete. Es werden sowohl hochenergetische Oszillationen intramolekularer Vibrationen beobachtet, als auch erstmalig niedrigenergetische Oszillationen, die von Gittervibrationen (Phononen) stammen. Die kohärenten Vibrationen im elektronischen Grundzustand klingen bei Raumtemperatur im Bereich einiger Pikosekunden ab. Durch die optische Anregung mit fs-Laserpulsen wird nicht nur phononische Kohärenz, sondern auch elektronische Kohärenz der optischen Übergänge induziert. Die elektronische Kohärenz klingt mit der Dephasierungszeit T2 ab. Trotz der hohen Zeitauflösung war es letztendlich nicht möglich, die Dephasierung des niedrigsten exzitonischen Übergangs zeitlich aufzulösen - sie liegt jedoch im Bereich 17fs < T2 < 52fs. Die energetische Relaxation der freien Exzitonen zu den relaxierten, emittierenden Exzitonenzuständen erfolgt mit einer Zeitkonstante von ca. 50fs. Von diesen relaxierten Zuständen erfolgt die energetische Abregung in den elektronischen Grundzustand im ns-Bereich. Im zweiten Teil der Arbeit werden Untersuchungen an selbst-assemblierten Monoschichten (SAM) photochromer Moleküle vorgestellt. Als Modellsystem dienen Azobenzen-funktionalisierte Thiole auf Gold (111). Es konnten hochgeordnete Monoschichten dieser photochromen Moleküle erzielt werden, allerdings sind die bisherigen Schichten aufgrund der dichten Packung nicht photoaktivierbar. Mit Hilfe von Raster-Mikroskopie und Infrarot-Spektroskopie werden diese ultradünnen Schichten strukturell untersucht. Es wird ein kommensurates Wachstum mit zwei Molekülen in der nahezu rechteckigen Einheitszelle beobachtet, wobei die laubbaumförmigen Moleküle nahezu senkrecht auf der Oberfläche stehen. Als weitere Methode wurde die Generation der zweiten Harmonischen (Second Harmonic Generation, SHG) angewendet. Diese Technik eröffnet prinzipiell die Möglichkeit, photostimuliertes Schalten der Schicht zeitaufgelöst zu untersuchen. / The first part of this thesis is devoted to ultrafast relaxation processes in quasi-one-dimensional organic molecular crystals. Crystalline samples of the perylene derivative MePTCDI are employed as a model system. Processes concerning the excitonic and phononic relaxation are investigated in time domain using various experimental techniques of optical ultrafast spectroscopy. The experimental setups attain a time-resolution of 20 femtoseconds. Free excitons at wavevector k=0 are formed in a molecular crystal by optical excitation of the lowest electronic transitions. Thereby, various intramolecular and intermolecular vibrational degrees of freedom are excited simultaneously. The excitation by fs-laser pulses results in the composition of coherent vibrational wave packets. Both, higher-energetic oscillations caused by intramolecular vibrations (internal phonons) and, for the first time in a quasi-one-dimensional organic system, lower-energetic modulations which are related to coherent lattice phonons (external phonons) are observed. The coherence of both types of phonons in the electronic ground state is damped at room temperature within a few ps. Besides phononic coherence, optical excitation by fs-laser pulses additionally induces electronic coherence of the optical transitions. The electronic coherence decays with the dephasing time T2. In spite of the high time-resolution, finally it was not possible to time resolve the dephasing of the lowest excitonic transition - however, we can estimated it to be in the range of 17fs < T2 < 52fs. The energetic relaxation of free excitons to the relaxed, emitting exciton states takes place with a time constant of approx. 50fs. The subsequent energetic relaxation to the electronic ground state occurs on a ns-time scale. In the second part, investigations of self-assembled monolayers (SAM) of photochromic molecules are presented. Azobenzene-functionalized thiols on gold (111) are employed as a model system. Highly ordered monolayers of these photochromic molecules could be realized. However, these layers are not photoactive because of dense packing. By use of scanning tunneling microscopy and infra-red spectroscopy the structural properties of these ultrathin layers are investigated. A commensurate growth, yielding a lattice with two molecules within the nearly rectangular unit cell is observed. The molecules, shaped like a broad-leafed tree, are found to stand nearly upright on the surface. Second harmonic generation (SHG) is applied as another experimental method. This technique allows to time resolve photo-stimulated conformational changes of the layers in principle.

Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit ultraschnellen Relaxationsprozessen in quasi-eindimensionalen organischen Molekülkristallen. Als Modellsystem wird das Perylenderivat MePTCDI untersucht. Mit verschiedenen Methoden der optischen Ultrakurzzeit-Spektroskopie werden Prozesse der Exzitonen- und Phononenrelaxation in der Zeit-Domäne untersucht. Die dafür aufgebauten Experimente erreichen eine Zeitauflösung von 20 Femtosekunden. Durch optische Anregung der niedrigsten elektronischen Übergänge werden in einem organischen Molekülkristall freie Exzitonen mit Wellenvektor k=0 gebildet. Dabei werden gleichzeitig zahlreiche intramolekulare und intermolekulare Schwingungsfreiheitsgrade angeregt. Die Anregung mit fs-Laserpulsen führt zum Aufbau kohärenter Schwingungswellenpakete. Es werden sowohl hochenergetische Oszillationen intramolekularer Vibrationen beobachtet, als auch erstmalig niedrigenergetische Oszillationen, die von Gittervibrationen (Phononen) stammen. Die kohärenten Vibrationen im elektronischen Grundzustand klingen bei Raumtemperatur im Bereich einiger Pikosekunden ab. Durch die optische Anregung mit fs-Laserpulsen wird nicht nur phononische Kohärenz, sondern auch elektronische Kohärenz der optischen Übergänge induziert. Die elektronische Kohärenz klingt mit der Dephasierungszeit T2 ab. Trotz der hohen Zeitauflösung war es letztendlich nicht möglich, die Dephasierung des niedrigsten exzitonischen Übergangs zeitlich aufzulösen - sie liegt jedoch im Bereich 17fs < T2 < 52fs. Die energetische Relaxation der freien Exzitonen zu den relaxierten, emittierenden Exzitonenzuständen erfolgt mit einer Zeitkonstante von ca. 50fs. Von diesen relaxierten Zuständen erfolgt die energetische Abregung in den elektronischen Grundzustand im ns-Bereich. Im zweiten Teil der Arbeit werden Untersuchungen an selbst-assemblierten Monoschichten (SAM) photochromer Moleküle vorgestellt. Als Modellsystem dienen Azobenzen-funktionalisierte Thiole auf Gold (111). Es konnten hochgeordnete Monoschichten dieser photochromen Moleküle erzielt werden, allerdings sind die bisherigen Schichten aufgrund der dichten Packung nicht photoaktivierbar. Mit Hilfe von Raster-Mikroskopie und Infrarot-Spektroskopie werden diese ultradünnen Schichten strukturell untersucht. Es wird ein kommensurates Wachstum mit zwei Molekülen in der nahezu rechteckigen Einheitszelle beobachtet, wobei die laubbaumförmigen Moleküle nahezu senkrecht auf der Oberfläche stehen. Als weitere Methode wurde die Generation der zweiten Harmonischen (Second Harmonic Generation, SHG) angewendet. Diese Technik eröffnet prinzipiell die Möglichkeit, photostimuliertes Schalten der Schicht zeitaufgelöst zu untersuchen. / The first part of this thesis is devoted to ultrafast relaxation processes in quasi-one-dimensional organic molecular crystals. Crystalline samples of the perylene derivative MePTCDI are employed as a model system. Processes concerning the excitonic and phononic relaxation are investigated in time domain using various experimental techniques of optical ultrafast spectroscopy. The experimental setups attain a time-resolution of 20 femtoseconds. Free excitons at wavevector k=0 are formed in a molecular crystal by optical excitation of the lowest electronic transitions. Thereby, various intramolecular and intermolecular vibrational degrees of freedom are excited simultaneously. The excitation by fs-laser pulses results in the composition of coherent vibrational wave packets. Both, higher-energetic oscillations caused by intramolecular vibrations (internal phonons) and, for the first time in a quasi-one-dimensional organic system, lower-energetic modulations which are related to coherent lattice phonons (external phonons) are observed. The coherence of both types of phonons in the electronic ground state is damped at room temperature within a few ps. Besides phononic coherence, optical excitation by fs-laser pulses additionally induces electronic coherence of the optical transitions. The electronic coherence decays with the dephasing time T2. In spite of the high time-resolution, finally it was not possible to time resolve the dephasing of the lowest excitonic transition - however, we can estimated it to be in the range of 17fs < T2 < 52fs. The energetic relaxation of free excitons to the relaxed, emitting exciton states takes place with a time constant of approx. 50fs. The subsequent energetic relaxation to the electronic ground state occurs on a ns-time scale. In the second part, investigations of self-assembled monolayers (SAM) of photochromic molecules are presented. Azobenzene-functionalized thiols on gold (111) are employed as a model system. Highly ordered monolayers of these photochromic molecules could be realized. However, these layers are not photoactive because of dense packing. By use of scanning tunneling microscopy and infra-red spectroscopy the structural properties of these ultrathin layers are investigated. A commensurate growth, yielding a lattice with two molecules within the nearly rectangular unit cell is observed. The molecules, shaped like a broad-leafed tree, are found to stand nearly upright on the surface. Second harmonic generation (SHG) is applied as another experimental method. This technique allows to time resolve photo-stimulated conformational changes of the layers in principle.