Imidazo[4,5-f]-1,10-phenanthrolines: Versatile ligands for the design of metallomesogens

2-Aryl-substituted imidazo[4,5-f]-1,10-phenanthrolines were used as building blocks for metal-containing liquid crystals (metallomesogens). Imidazo[4,5-f]-1,10-phenanthrolines are versatile ligands because they can form stable complexes with various d-block transition metals, including platinum(II) and rhenium(I), as well as with lanthanide(III) and uranyl ions and they can easily be structurally modified by a judicious choice of benzaldehyde precursor. None of the ligands designed for this study were liquid-crystalline. However, mesomorphism could be induced by their coordination to various metallic fragments. The thermal behavior of the metal complexes depended on the metal-to-ligand ratio and the substitution pattern of the coordinating ligands. Complexes with a metal-to-ligand ratio of 1:1 [ML, with M = Pt(II), Re(I)] were not liquid-crystal line. The lanthanide(III) complexes with a metal-to-ligand ratio of 1:2 [ML2 with M = Ln(III)] formed an enantiotropic cubic mesophase or were not liquid-crystalline, depending on the nature of the lanthanide(III) ion and the substitution pattern of the ligands. A 1:3 uranyl complex of the type [ML3](2+) exhibited a hexagonal columnar mesophase over a broad temperature range. Self-assembled monolayers of a europium(III) complex were investigated by scanning tunneling microscopy, which revealed that the complex formed well-ordered structures over long distances at the 1-octanoic acid-graphite interface. The rhenium(I) complexes and the europium(III) complexes with 2-thenoyl-trifluoroacetonate or dibenzoylmethanate and imidazo[4,5-f]-1,10-phenanthroline showed good luminescence properties.

Rigid tetracatenar liquid crystals derived from 1,10-phenanthroline

Tetracatenar liquid crystals were obtained by substituting the 1,10-phenanthroline central core unit at the 3- and 8-positions by extended, rigid acetylene moieties, equipped at the termini with two alkoxy chains of various lengths (n = 6, 8, 10, 12, 14). The liquid crystals exhibit a rich mesomorphism including smectic C, cubic, hexagonal and rectangular columnar phases, depending on the alkoxy chain length. The corresponding rhenium(I) complexes containing the bulky [ReBr(CO)₃] fragment are not liquid-crystalline. The ligands and rhenium(I) complexes were investigated by scanning tunneling microscopy (STM). Both the ligands and the rhenium(I) complexes can be self-assembled into monolayers at the TCB–graphite and octanoic acid–graphite interfaces. The ligands and rhenium(I) complexes are luminescent.

Electronic, structural, and reactive properties of ultrathin aluminum oxide films on Pt(111)

Low-energy electron diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, high-resolution electron energy-loss spectroscopy, scanning tunneling microscopy, and temperature-programmed reaction spectrometry results are reported for the structural and reactive behavior of alumina films grown on Pt(111) as a function of thickness and oxidation temperature. Submonolayer Al films undergo compete oxidation at 300 K, annealing at 1100 K resulting in formation of somewhat distorted crystalline gamma-alumina, Thicker deposits require 800 K oxidation to produce Al2O3, and these too undergo crystallization at 800 K, yielding islands of apparently undistorted gamma-alumina on the Pt(111) surface. Oxidation of a p(2 x 2) Pt3Al surface alloy occurs only at>800 K, resulting in Al extraction, These alumina films on Pt(lll) markedly increase the coverage of adsorbed SO4 resulting from SO2 chemisorption onto oxygen-precovered surfaces. This results in enhanced propane uptake and subsequent reactivity relative to SO4/Pt(111). A bifunctional mechanism is proposed to account for our observations, and the relevance of these to an understanding of the corresponding dispersed systems is discussed.

INFLUENCE OF METAL GRAIN-SIZE ON SURFACE-ENHANCED RAMAN-SCATTERING

The surface roughness of nominally smooth and of randomly roughened thin silver films is characterized using scanning tunneling microscopy and the metal grain size is assessed using transmission electron microscopy. On each type of substrate used, glass or CaF2-roughened glass, the silver films are deposited either very slowly (approximately 0.15 nm s-1) or quite quickly (approximately 2.0 nm s-1). Only silver films deposited on CaF2-roughened glass yield measurable surface-enhanced Raman signals for benzoic acid; the enhancement is brought about by surface field amplification due to the excitation of delocalized surface-plasmon polaritons. However, the surface-enhanced Raman signals obtained from the slow-deposited silver films are significantly better (by about a factor of 3) than those obtained from the fast-deposited silver films on a given CaF2-roughened substrate. The explanation of this observation does not lie with different surface roughness; both types of film yield closely similar data on the scanning tunneling microscope. Rather, it is suggested that the relatively small grain size of the fast-deposited silver films leads to increased elastic scattering of surface-plasmon polaritons at the grain boundaries, with a consequent increase of internal damping. This results in a reduction of the scattered Raman signal.

SURFACE ENHANCED RAMAN-SCATTERING FROM MILDLY ROUGHENED SURFACES - VARIATION OF SIGNAL WITH METAL GRAIN-SIZE

The intensity of surface enhanced Raman scattering from benzoic acid derivatives on mildly roughened, thermally evaporated Ag films shows a remarkably strong dependence on metal grain size. Large grained (slowly deposited) films give a superior response, by up to a factor of 10, to small grained (quickly deposited) films, with films of intermediate grain size yielding intermediate results. The optical field amplification underlying the enhancement mechanism is due to the excitation of surface plasmon polaritons (SPPs). Since surface roughness characteristics, as determined by STM, remain relatively constant as a function of deposition rate, it is argued that the contrast in Raman scattering is due to differences in elastic grain boundary scattering of SPPs (leading to different degrees of internal SPP damping), rather than differences in the interaction of SPPs with surface inhomogeneities.

Interaction between vortices and impurities in a d-wave superconductor /

High temperature superconductors were discovered in 1986, but despite considerable research efforts, both experimental and theoretical, these materials remain poorly understood. Because their electronic structure is both inhomogeneous and highly correlated, a full understanding will require knowledge of quasiparticle properties both in real space and momentum space. In this thesis, we will present a theoretical analysis of the scanning tunneling microscopy (STM) data in BSCCO. We introduce the Bogoliubov-De Gennes Hamiltonian and solve it numerically on a two-dimensional 20 x 20 lattice under a magnetic field perpendicular to the surface. We consider a vortex at the center of our model. We introduce a Zn impurity in our lattice as a microscopic probe of the physical properties of BSCCO. By direct numerical diagonalization of the lattice BogoliubovDe Gennes Hamiltonian for different positions of the impurity, we can calculate the interaction between the vortex and the impurity in a d-wave superconductor.

Contrôle de l'organisation moléculaire en 2D et 3D par l’utilisation de liaisons hydrogène, de coordination métallique et d'autres interactions

La stratégie de la tectonique moléculaire a montré durant ces dernières années son utilité dans la construction de nouveaux matériaux. Elle repose sur l’auto-assemblage spontané de molécule dite intelligente appelée tecton. Ces molécules possèdent l’habilité de se reconnaitre entre elles en utilisant diverses interactions intermoléculaires. L'assemblage résultant peut donner lieu à des matériaux moléculaires avec une organisation prévisible. Cette stratégie exige la création de nouveaux tectons, qui sont parfois difficiles à synthétiser et nécessitent dans la plupart des cas de nombreuses étapes de synthèse, ce qui empêche ou limite leur mise en application pratique. De plus, une fois formées, les liaisons unissant le corps central du tecton avec ces groupements de reconnaissance moléculaire ne peuvent plus être rompues, ce qui ne permet pas de remodeler le tecton par une procédure synthétique simple. Afin de contourner ces obstacles, nous proposons d’utiliser une stratégie hybride qui se sert de la coordination métallique pour construire le corps central du tecton, combinée avec l'utilisation des interactions plus faibles pour contrôler l'association. Nous appelons une telle entité métallotecton du fait de la présence du métal. Pour explorer cette stratégie, nous avons construit une série de ligands ditopiques comportant soit une pyridine, une bipyridine ou une phénantroline pour favoriser la coordination métallique, substitués avec des groupements diaminotriazinyles (DAT) pour permettre aux complexes de s'associer par la formation de ponts hydrogène. En plus de la possibilité de créer des métallotectons par coordination, ces ligands ditopiques ont un intérêt intrinsèque en chimie supramoléculaire en tant qu'entités pouvant s'associer en 3D et en 2D. En parallèle à notre étude de la chimie de coordination, nous avons ii examiné l'association des ligands, ainsi que celle des analogues, par la diffraction des rayons-X (XRD) et par la microscopie de balayage à effet tunnel (STM). L'adsorption de ces molécules sur la surface de graphite à l’interface liquide-solide donne lieu à la formation de différents réseaux 2D par un phénomène de nanopatterning. Pour comprendre les détails de l'adsorption moléculaire, nous avons systématiquement comparé l’organisation observée en 2D par STM avec celle favorisée dans les structures 3D déterminées par XRD. Nous avons également simulé l'adsorption par des calculs théoriques. Cette approche intégrée est indispensable pour bien caractériser l’organisation moléculaire en 2D et pour bien comprendre l'origine des préférences observées. Ces études des ligands eux-mêmes pourront donc servir de référence lorsque nous étudierons l'association des métallotectons dérivés des ligands par coordination. Notre travail a démontré que la stratégie combinant la chimie de coordination et la reconnaissance moléculaire est une méthode de construction rapide et efficace pour créer des réseaux supramoléculaires. Nous avons vérifié que la stratégie de la tectonique moléculaire est également efficace pour diriger l'organisation en 3D et en 2D, qui montre souvent une homologie importante. Nous avons trouvé que nos ligands hétérocycliques ont une aptitude inattendue à s’adsorber fortement sur la surface de graphite, créant ainsi des réseaux organisés à l'échelle du nanomètre. L’ensemble de ces résultats promet d’offrir des applications dans plusieurs domaines, dont la catalyse hétérogène et la nanotechnologie. Mots clés : tectonique moléculaire, interactions intermoléculaires, stratégie hybride, coordination métallique, diffraction des rayons-X, microscopie de balayage à effet tunnel, graphite, phénomène de nanopatterning, calculs théoriques, ponts hydrogène, chimie supramoléculaire, ligands hétérocycliques, groupements DAT, catalyse hétérogène, nanotechnologie.

Molecular tectonics : supramolecular 2D nanopatterning of surfaces by self-assembly

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude de l’association supramoléculaire bi- et tridimensionnelle d’oximes et d’hydrazones trigonales

Les concepts de la chimie supramoléculaire peuvent être exploités avantageusement pour contrôler la structure et les propriétés des matériaux moléculaires. Dans une approche productive, les composantes moléculaires du matériau peuvent être choisies pour pouvoir s'engager dans des interactions fortes et prévisibles avec leurs voisins. Cette stratégie, appelée la tectonique moléculaire, est caractérisée par la préparation de molécules particulières appelées tectons (du grec tectos, qui signifie constructeur) qui, par design rationnel, s’associent de manière prévisible via de multiples interactions non-covalentes afin de générer l’architecture désirée. Ce processus est réversible et guidé par la présence de fonctions chimiques complémentaires, appelées groupements de reconnaissance, qui sont orientées de manière à conférer un aspect directionnel aux interactions intermoléculaires. Ceci permet de positionner les molécules voisines de façon prédéterminée. Les contraintes imposées par les interactions s’opposent souvent à la tendance naturelle des molécules à former une structure compacte et permettent donc à d'autres molécules invitées d’occuper un volume appréciable dans le matériau, sans toutefois contribuer directement à l'architecture principale. Appliquée à la cristallisation, cette approche peut générer des cristaux poreux, analogues aux zéolites. Les ponts hydrogène offrent une interaction non-covalente de choix dans cette stratégie car ils sont forts et directionnels. L’exploration d’une multitude de fonctions chimiques connues pour pouvoir participer à la formation de ponts hydrogène a permis de créer une grande diversité de nouveaux matériaux lors de l’évolution du domaine du génie cristallin. Une molécule classique, qui illustre bien la stratégie tectonique et qui a eu un fort impact dans le domaine de la chimie supramoléculaire, est l’acide 1,3,5-benzènetricarboxylique, communément appelé acide trimésique. L’acide trimésique donne une orientation trigonale à trois groupements carboxyles, favorisant ainsi la formation d'un réseau hexagonal retenu par ponts hydrogène. Nous avons visé une modification dans laquelle les groupements -COOH de l'acide trimésique sont remplacés par deux autres groupements de reconnaissance, jusqu’ici peu exploités en chimie supramoléculaire, l’oxime et l’hydrazone. Nous rapportons la synthèse et la cristallisation de différentes trioximes et trihydrazones analogues à l'acide trimésique. Les cristaux obtenus ont été analysés par diffraction des rayons-X et leurs structures ont été déterminées. L’auto-assemblage de différentes trioximes et trihydrazones en 2D par adsorption sur graphite a également été étudié en utilisant la microscopie à balayage à effet tunnel. Nos résultats nous permettent de comparer l'organisation en 2D et en 3D de différents analogues de l'acide trimésique.

Organisation moléculaire dirigée par le groupe CONH2 en 2D et 3D

Notre étude a pour objet la conception, la synthèse ainsi que l’étude structurale d’architectures supramoléculaires obtenues par auto-assemblage, en se basant sur les concepts de la tectonique moléculaire. Cette branche de la chimie supramoléculaire s’occupe de la conception et la synthèse de molécules organiques appelées tectons, du grec tectos qui signifie constructeur. Le tecton est souvent constitué de sites de reconnaissance branchés sur un squelette bien choisi. Les sites de reconnaissance orientés par la géométrie du squelette peuvent participer dans des interactions intermoléculaires qui sont suffisamment fortes et directionnelles pour guider la topologie du cristal résultant. La stratégie envisagée utilise des processus d'auto-assemblage engageant des interactions réversibles entre les tectons. L’auto-assemblage dirigé par de fortes interactions intermoléculaires directionnelles est largement utilisé pour fabriquer des matériaux dont les composants doivent être positionnés en trois dimensions (3D) d'une manière prévisible. Cette stratégie peut également être utilisée pour contrôler l’association moléculaire en deux dimensions (2D), ce qui permet la construction de monocouches organisées et prédéterminées sur différents types des surfaces, tels que le graphite.Notre travail a mis l’accent sur le comportement de la fonction amide comme fonction de reconnaissance qui est un analogue du groupement carboxyle déjà utilisé dans plusieurs études précédentes. Nous avons étudié le comportement d’une série de composés contenant un noyau plat conçu pour faciliter l'adsorption sur le graphite et modifiés par l'ajout de groupes amide pour favoriser la formation de liaisons hydrogène entre les molécules ainsi adsorbées. La capacité de ces composés à former de monocouches organisées à l’échelle moléculaire en 2D a été examinée par microscopie à effet tunnel, etleur organisation en 3D a également été étudiée par cristallographie aux rayons X. Dans notre étude, nous avons systématiquement modifié la géométrie moléculaire et d'autres paramètres afin d'examiner leurs effets sur l'organisation moléculaire. Nos résultats suggèrent que les analyses structurales combinées en 2D et 3D constituent un important atout dans l'effort pour comprendre les interactions entre les molécules adsorbées et l’effet de l’interaction avec la surface du substrat.

MgO/Ag(001) interface structure and STM images from first principles

The interface of MgO/Ag(001) has been studied with density functional theory applied to slabs. We have found that regular MgO films show a small adhesion to the silver substrate, the binding can be increased in off-stoichiometric regimes, either by the presence of O vacancies at the oxide film or by a small excess of O atoms at the interface between the ceramic to the metal. By means of theoretical methods, the scanning tunneling microscopy signatures of these films is also analyzed in some detail. For defect free deposits containing 1 or 2 ML and at low voltages, tunnelling takes place from the surface Ag substrate, and at large positive voltages Mg atoms are imaged. If defects, oxygen vacancies, are present on the surface of the oxide they introduce much easier channels for tunnelling resulting in big protrusions and controlling the shape of the image, the extra O stored at the interface can also be detected for very thin films.

Sonogashira coupling on an extended gold surface in vacuo: reaction of phenylacetylene with iodobenzene on Au(111)

Temperature-programmed reaction measurements supported by scanning tunneling microscopy have shown that phenylacetylene and iodobenzene react on smooth Au(111) under vacuum conditions to yield biphenyl and diphenyldiacetylene, the result of homocoupling of the reactant molecules. They also produce diphenylacetylene, the result of Sonogashira cross-coupling, prototypical of a class of reactions that are of paramount importance in synthetic organic chemistry and whose mechanism remains controversial. Roughened Au(111) is completely inert toward all three reactions, indicating that the availability of crystallographically well-defined adsorption sites is crucially important. High-resolution X-ray photoelectron spectroscopy and near-edge X-ray absorption fine structure spectroscopy show that the reactants are initially present as intact, essentially flat-lying molecules and that the temperature threshold for Sonogashira coupling coincides with that for C−I bond scission in the iodobenzene reactant. The fractional-order kinetics and low temperature associated with desorption of the Sonogashira product suggest that the reaction occurs at the boundaries of islands of adsorbed reactants and that its appearance in the gas phase is rate-limited by the surface reaction. These findings demonstrate unambiguously and for the first time that this heterogeneous cross-coupling chemistry is an intrinsic property of extended, metallic pure gold surfaces: no other species, including solvent molecules, basic or charged (ionic) species are necessary to mediate the process.

Global and local expression of chirality in serine on the Cu{110} surface

Establishing a molecular-level understanding of enantioselectivity and chiral resolution at the organic−inorganic interfaces is a key challenge in the field of heterogeneous catalysis. As a model system, we investigate the adsorption geometry of serine on Cu{110} using a combination of low-energy electron diffraction (LEED), scanning tunneling microscopy (STM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy. The chirality of enantiopure chemisorbed layers, where serine is in its deprotonated (anionic) state, is expressed at three levels: (i) the molecules form dimers whose orientation with respect to the substrate depends on the molecular chirality, (ii) dimers of l- and d-enantiomers aggregate into superstructures with chiral (−1 2; 4 0) lattices, respectively, which are mirror images of each other, and (iii) small islands have elongated shapes with the dominant direction depending on the chirality of the molecules. Dimer and superlattice formation can be explained in terms of intra- and interdimer bonds involving carboxylate, amino, and β−OH groups. The stability of the layers increases with the size of ordered islands. In racemic mixtures, we observe chiral resolution into small ordered enantiopure islands, which appears to be driven by the formation of homochiral dimer subunits and the directionality of interdimer hydrogen bonds. These islands show the same enantiospecific elongated shapes those as in low-coverage enantiopure layers.

Epitaxial growth of ultrathin palladium films on Re{0001}

Ultrathin bimetallic layers create unusual magnetic and surface chemical effects through the modification of electronic structure brought on by low dimensionality, polymorphism, reduced screening, and epitaxial strain. Previous studies have related valence and core-level shifts to surface reactivity through the d-band model of Hammer and Nørskov, and in heteroepitaxial films this band position is determined by competing effects of coordination, strain, and hybridization of substrate and overlayer states. In this study we employ the epitaxially matched Pd on Re{0001} system to grow films with no lateral strain. We use a recent advancement in low-energy electron diffraction to expand the data range sufficiently for a reliable determination of the growth sequence and out-of-plane surface relaxation as a function of film thickness. The results are supported by scanning tunneling microscopy and X-ray photoemission spectroscopy, which show that the growth is layer-by-layer with significant core-level shifts due to changes in film structure, morphology, and bonding.

Copper deposition on TiO2 from copper(II)hexafluoroacetylacetonate

The authors have studied the adsorption of CuII(hfac)2 on the surface of a model oxide system, TiO2(110), and probed the molecular stability with respect to thermal cycling, using atomic scale imaging by scanning tunneling microscopy supported by x-ray photoemission spectroscopy. They find that at 473 K, the adsorbed metal-organic molecules begin to dissociate and release Cu atoms which aggregate and form Cu nanoparticles. These Cu nanoparticles ripen over time and the size (height) distribution develops into a bimodal distribution. Unlike other organometallic systems, which show a bimodal distribution due to enhanced nucleation or growth at surface step edges, the nanoparticles do not preferentially form at steps. The reduced mobility of the Cu islands may be related to the co-adsorbed ligands that remain in very small clusters on the surface.