Étude de l'association supramoléculaire à l'état solide des fullerènes C60 et C70 avec des dérivés triptycényles fonctionnalisés

Le fullerène C60 est une molécule sphérique composée exclusivement d'atomes de carbone. Ce composé possède une surface aromatique convexe homogène et peut s'associer, entre autres, avec des molécules possédant des surfaces aromatiques par des interactions non-covalentes. Le triptycène est une molécule en forme de "Y" qui possède des surfaces aromatiques convexes. Cette molécule possède l'habileté de s'associer avec le C60 par des interactions de type π qui sont amplifiées par la complémentarité des surfaces concaves et convexes impliquées dans les arrangements cristallins. Nous avons synthétisé des dérivés triptycényles portant des groupements fonctionnels aux extrémités des bras de ce noyau de façon à étendre les cavités disponibles pour interagir avec le C60. En effet, nous avons découvert que les atomes de chlore, de brome et d'iode ainsi que les groupements méthyle permettent d'étendre les surfaces disponibles pour interagir avec les fullerènes C60 et C70. Nous avons étudié les associations entre les dérivés triptycényles et les fullerènes par l'analyse des structures cristallographiques résolues par diffraction des rayons-X. De plus, nous avons étudié les associations entre les molécules considérées par l'analyse des surfaces d'Hirshfeld entourant les fullerènes. Découlant de ces études, l'effet d'amplification des atomes de chlore, de brome et d'iode ainsi que les groupements méthyle a été employé pour identifier de nouveaux solvants aptes à solubiliser efficacement le C60.

Méthode de calcul à N-corps basée sur la G0W0 : étude du couplage électron-phonon dans le C60 et développement d’une approche accélérée pour matériaux organiques

La présente thèse porte sur les limites de la théorie de la fonctionnelle de la densité et les moyens de surmonter celles-ci. Ces limites sont explorées dans le contexte d'une implémentation traditionnelle utilisant une base d'ondes planes. Dans un premier temps, les limites dans la taille des systèmes pouvant être simulés sont observées. Des méthodes de pointe pour surmonter ces dernières sont ensuite utilisées pour simuler des systèmes de taille nanométrique. En particulier, le greffage de molécules de bromophényle sur les nanotubes de carbone est étudié avec ces méthodes, étant donné l'impact substantiel que pourrait avoir une meilleure compréhension de ce procédé sur l'industrie de l'électronique. Dans un deuxième temps, les limites de précision de la théorie de la fonctionnelle de la densité sont explorées. Tout d'abord, une étude quantitative de l'incertitude de cette méthode pour le couplage électron-phonon est effectuée et révèle que celle-ci est substantiellement plus élevée que celle présumée dans la littérature. L'incertitude sur le couplage électron-phonon est ensuite explorée dans le cadre de la méthode G0W0 et cette dernière se révèle être une alternative substantiellement plus précise. Cette méthode présentant toutefois de sévères limitations dans la taille des systèmes traitables, différents moyens théoriques pour surmonter ces dernières sont développés et présentés dans cette thèse. La performance et la précision accrues de l'implémentation résultante laissent présager de nouvelles possibilités dans l'étude et la conception de certaines catégories de matériaux, dont les supraconducteurs, les polymères utiles en photovoltaïque organique, les semi-conducteurs, etc.

Association supramoléculaire à l'état solide des fullerènes C60 et C70 avec le centrohexaindane

Le fullerène C60, une molécule sphérique, et le C70, un analogue ellisoïde, sont des composés aromatiques convexes constitués exclusivement d'atomes de carbone. La nature aromatique de la surface de ces cages de carbone rend possible leur association à l'état solide avec d'autres molécules aromatiques de topologie complémentaire. En particulier, l'association des fullerènes avec des composés présentant des motifs concaves aromatiques, via une association de type concave-convexe, est favorable. En effet, les interactions π•••π de type concave-convexe sont amplifiées grâce à la complémentarité topologique des partenaires impliqués. Le centrohexaindane est un hydrocarbure non planaire rigide qui a été synthétisé pour la première fois en 1988 par Kuck et collaborateurs. Cette molécule possède quatre surfaces aromatiques concaves orientées dans une géométrie tétraédrique qui sont susceptibles d'interagir favorablement avec les fullerènes. Nous avons ainsi avec succès cocristallisé le centrohexaindane avec les fullerènes C60 et C70. Puis, nous avons étudié les assemblages à l'état solide entre le centrohexaindane et les fullerènes par l'analyse des structures résolues via diffraction des rayons X. Les surfaces concaves aromatiques du centrohexaindane se sont révélées être propices à une association avec les fullerènes C60 et C70 via des interactions π•••π de type concave-convexe, tel que prévu. En outre, nous avons découvert que les liaisons C-H situées à la périphérie du centrohexaindane prennent part à une multitude de contacts C-H•••π avec les molécules de fullerène. Les échantillons de cocristaux composés de centrohexaindane et de fullerène ont aussi été caractérisés par diffraction de poudre des rayons X et par analyse thermogravimétrique dans le but d'en évaluer l'homogénéité.

Signature optique d’effet Stark dans une bicouche de CuPc:C60

Les hétérojonctions formées de deux matériaux, un donneur et un accepteur (D/A), sont la base de la majorité des mélanges photovoltaïques organiques. Les mécanismes de séparation des charges dans ces systèmes représentent aujourd'hui l'un des sujets les plus chauds et les plus débattus dans ce domaine. Nous entrons au coeur de ce débat en choisissant un système D/A à base de phtalocyanine de cuivre (CuPc) et de fullerène (C60). Pour sonder les états excités de nos molécules et obtenir de l'information sur les phénomènes à l'interface D/A, nous réalisons une expérience pompe-sonde, appelée absorption photoinduite (PIA). Nous y mesurons le changement fractionnaire de transmission au travers de l'échantillon. Les mesures de PIA sont réalisées à l'état de quasi équilibre, à T=10K. Nous observons une modulation prononcée dans la région du photoblanchiment de l'état fondamental qui nous indique que la pompe induit un décalage du spectre d'absorption de l'état fondamental. Ce décalage peut être expliqué par deux processus : soit l'échantillon est chauffé par la pompe (effet thermique) ou bien des charges sont créées à l'interface entre les deux matériaux (effet Stark). La dépendance en température du spectre d'absorption entre 10K et 290K montre une signature thermique pour un changement de température de 80K. Grâce au ratio des raies Raman anti-Stokes et Stokes, nous démontrons que la pompe chauffe l'échantillon de 34 K, température insuffisante pour attribuer notre signal à un effet thermique. Nous évaporons ensuite la bicouche CuPc/C60 sur de l'ITO et du saphir, substrats qui possèdent des conductivités thermiques différentes et nous observons le même signal de PIA, excluant par le fait même l'hypothèse de l'effet thermique. Puisque notre étude est comparable à la spectroscopie à effet Stark, nous procédons à une analyse similaire en comparant notre signal de PIA au spectre de la transmittance et à ses dérivés première et seconde. Nous observons alors que notre signal reproduit presque parfaitement la dérivée seconde de la transmittance. Ces résultats sont conformes à une signature optique d'effet Stark due à la création de charges à l'interface D/A.

Optical limiting and thermal lensing studies in C60

Optical limiting and thermo-optic properties of C60 in toluene are studied using 532 nm, 9 ns pulses from a frequency-doubled Nd:YAG laser. Optical limiting studies in these fullerene molecules lead to the conclusion that reverse saturable absorption is the major mechanism for limiting properties in these molecules. Thermal lensing measurements are also performed in fullerene solutions. The quadratic dependence of thermal lens signal on incident energy confirms that enhanced optical absorption by the sample via excited triplet state absorption may play a leading role in the limiting property.

A Study of Photoacoustic Effects and Optical Limiting in the Solution of C60 in Toluene

Pulsed photoacoustic studies in solution of C60 in toluene have been made using the 532 nm radiation from a frequency doubled Nd:YAG laser. Though C60 is found to exhibit the phenomenon of optical limiting, the results on photoacoustic measurements do not give any indication of multiphoton transitions as suggested in some of the earlier works. Results of photoacoustic measurements show that excited state absorption is the dominant process responsible for optical limiting while phenomena like nonlinear scattering may contribute to a lesser extent.

Leonardo da Vinci, la pelota de fútbol y el C60.

Resumen tomado de la publicación

Single and multiple addition to C60. A computational chemistry study

Des del seu descobriment, a la molècula C60 se li coneixen una varietat de derivats segons el tipus de funcionalització amb propietats fisicoquímiques específiques de gran interès científic. Una sel·lecció de derivats corresponents a addicions simple o múltiple al C60 s'ha considerat en aquest treball d'investigació. L'estudi a nivell de química computacional de diversos tipus d'addició al C60 s'han portat a terme per tal de poder donar resposta a aspectes que experimentalment no s'entenen o són poc clars. Els sistemes estudiats en referència a l'addició simple al C60 han estat en primer lloc els monoiminoful·lerens, C60NR, (de les dues vies proposades per la seva síntesi, anàlisis cinètic i termodinàmic han ajudat a explicar els mecanismes de formació i justificar l'addició a enllaços tipus [5,6]), i en segon lloc els metanoful·lerens i els hidroful·lerens substituits, C60CHR i C60HR, (raons geomètriques, electròniques, energètiques i magnètiques justifiquen el diferent caràcter àcid ente ambdós derivats tenint en compte una sèrie de substituents R amb diferent caràcter electrònic donor/acceptor). Els fluoroful·lerens, C60Fn, i els epoxid ful·lerens, C60On, (anàlisi sistemàtic dels seus patrons d'addició en base a poder justificar la força que els governa han aportat dades complementàries a les poques que existeixen experimentalment al respecte).

The synthesis of dicobalt and dinickel complexes of trimethylsilylethynyl-1, 2-dihydrofullerene; characterisation by n.m.r. and structure of the first acyclic metal fullerene derivative: molecular structure of [η2-{2-H-1-(Me3SiC ≡ C)-C60}Ni2(η-C5H5)2]

The synthesis and characterisation of the complexes [η2-{2-H-1-(Me3SiC ≡ C)-C60}Co2(CO)6] (2)} and [η-2-{2-H-1-(Me3SiC ≡ C)-C60}Ni2η-C5H5)2] (3)} is reported, together with a single-crystal molecular structure for (3). This provides the first structural data for an acyclic metal derivative of [60]-fullerene.

Polyethylene terephthalate (PET) bulk film analysis using C60+, Au3+, and Au+ primary ion beams

The damage characteristics of polyethylene terephthalate (PET) have been studied under bombardment by C₆₀+, Au₃+ and Au+ primary ions. The observed damage cross-sections for the three ion beams are not dramatically different. The secondary ion yields however were significantly enhanced by the polyatomic primary ions where the secondary ion yield of the [M + H]+ is on average 5× higher for C₆₀+ than Au₃+ and 8× higher for Au₃+ than Au+. Damage accumulates under Au+ and Au₃+ bombardment while C₆₀+ bombardment shows a lack of damage accumulation throughout the depth profile of the PET thick film up to an ion dose of 1 ~ 10¹⁵ ions cm⁻². These properties of C₆₀+ bombardment suggest that the primary ion will be a useful molecular depth profiling tool.

TOF-SIMS analysis using C60. Effect of impact energy on yield and damage

C₆₀ has been shown to give increased sputter yields and, hence, secondary ions when used as a primary particle in SIMS analysis. In addition, for many samples, there is also a reduction in damage accumulation following continued bombardment with the ion beam. In this paper, we report a study of the impact energy (up to 120 keV) of C₆₀ on the secondary ion yield from a number of samples with consideration of any variation in yield response over mass ranges up to m/z 2000. Although increased impact energy is expected to produce a corresponding increase in sputter yield/rate, it is important to investigate any increase in sample damage with increasing energy and, hence, efficiency of the ion beams. On our test samples including a metal, along with organic samples, there is a general increase in secondary ion yield of high-mass species with increasing impact energy. A corresponding reduction in the formation of low-mass fragments is also observed. Depth profiling of organic samples demonstrates that when using C₆₀, there does not appear to be any increase in damage evident in the mass spectra as the impact energy is increased.

A comparative study of secondary Ion emission from water ice under Ion bombardment by Au+, Au3+, and C60+

Secondary ion emission from water ice has been studied using Au⁺, Au₃⁺, and C₆₀⁺ primary ions. In contrast to the gas phase in which the spectra are dominated by the (H₂O)_nH⁺ series of ions, the spectra from ice using all three primary ions are principally composed of two series of cluster ions (H₂O)_nH⁺ and (H₂O)_n⁺. Dependent on the conditions, the unprotonated series can dominate the spectra. Since in the gas phase (H₂O)_n⁺ is unstable with respect to the formation of the protonated ion series, the presence of the solid must provide a means to stabilize their formation. The cluster ion yields under Au⁺ bombardment are very low and can be understood in terms of sputtering on the borderline between linear cascade and thermal spike behavior. There is a 10⁴ increase in yield across the whole spectrum compared to Au⁺ when Au₃⁺ and C₆₀⁺ species are used as primary ions. The character of the spectra differed between these two primary ions, but insights into the mechanism of secondary ion emission for both is discussed within an energy deposition framework provided by the fluid flow-based mesoscale energy deposition footprint (MEDF) model that predicts a cone-shaped zone of activation and emission. C₆₀⁺ differs from Au^₃+ in that it delivers its energy closer to the surface, and it is argued this has consequences for the cluster ion distribution and yield. Increasing the ion dose by sputtering suppresses the yield of (H₂O)_n⁺ and increases the yield of the protonated ions in the small cluster region, whereas the yield in the large cluster regime is suppressed significantly. The three primary ions show rather different behavior, and this is discussed in the light of the sputtering models. Finally, negative ion spectra including cluster ions have been observed for the first time. C₆₀⁺ delivers the highest yields, but these are less than 10 times the positive ion yields, probably because the O and OH fragment ions on which the clusters are based are easily neutralized by protons.

In vitro exposure to fullerene C60 influences redox state and lipid peroxidation in brain and gills from Cyprinus carpio (Cyprinidae)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Interaction between Li+ and C60 molecules

MNDO calculations with complete geometry optimization were used to calculate the interaction between Li+ and C60, C- 60 and C2- 60 molecules. In order to determine the more stable configuration, Li+ was approximated to the C60 molecule or to their reduced forms from 10 Å up to the geometric center of the molecule. From the simulations we determine that Li+ remains close to the surface at 5 Å from the geometric center of the C60 molecules. © 1995.

Estudo do transporte eletrônico em nanoestruturas baseadas em carotenoides e tétrades com fulereno C60

Neste Trabalho é apresentado um estudo teórico da estrutura eletrônica de uma molécula de fulereno C60 com junções em quatro terminais baseados em grupos doadores de elétron – etratiofulvaleno (TTF) – e grupos aceitadores de elétrons – fenilpropanodinila (FPP) e dispositivos moleculares baseados em derivados dos Carotenoides. O mecanismo de transporte investigado para os derivados dos Carotenoides foram utilizados para o melhor entendimento das curvas de Fowler- Nordheim (FN) e Millikan-Lauritsen (ML) para os sistemas baseados em fulereno C60. Em todos os casos foi possível confirmar que a análise empírica de Millikan-Lauritsen (ML) também é suficiente para descrever em todos os aspectos a espectroscopia de voltagem de transição (TVS). Para estudar os sistemas, foram feitas otimizações de geometria sistematicamente e observado uma transferência eletrônica calculada por métodos derivados de Hartree-Fock e Teoria do Funcional Densidade (DFT). Os resultados apresentados mostram um estudo detalhado do rearranjo de carga molecular para a estrutura, que sob a ação de um campo elétrico externo apontou que o transporte de carga está diretamente ligado ao tipo de junção que esse sistema é submetido de forma que a voltagem aplicada é intensa o bastante para criar um potencial de saturação nos sistemas em estudo: fulereno C60 com três terminais de tetratiofulvaleno e um terminal de fenil-propanodinila (C60-(TTF)₃-FPP); fulereno C60 com quatros terminais de fenil-propanodinila (C60-(FPP)₄). Os resultados mostram que se tem um retificador molecular que pode trabalhar corretamente como um retificador macroscópico.