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On-surface formation of graphene-like materials through Ullmann coupling.

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Gianluca, Galeotti (2019). On-surface formation of graphene-like materials through Ullmann coupling. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 195 p.

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Résumé

La réalisation de nano-dispositifs de quelques couches d'épaisseur est l'un des grands défis de la nanotechnologie. Cependant, le besoin de miniaturisation constante a introduit une nouvelle criticité qui pourrait casser l'équation électronique = silicium. Une solution possible pourrait être d'utiliser le graphène en tant qu'élément actif, car il s'agit d'un matériau naturel épais d'une couche possédant des propriétés optoélectroniques incroyables. Toutefois, l'inconvénient du graphène est sa bande interdite nulle, ce qui limite ses applications possibles. Cela a mené à l’étude de matériaux analogues au graphène, c’est-à-dire des polymères conjugués 1D et 2D aux propriétés accordables, développés par des approches ascendantes. L'objectif est d'utiliser les interactions molécule-molécule et molécule-substrat pour auto-assembler directement la structure souhaitée, ainsi que les manipuler pour obtenir un polymère étendu doté de la bonne architecture et de possibilités d’adaptation. Les réactions en surface sont une voie alternative à la réaction en solution, qui est l’approche habituellement utilisée pour obtenir la structure polymérique souhaitée. La présence de la surface permet de contrôler la dimensionnalité et de réaliser des réseaux 1D et 2D, tout en participant à la réaction en tant que source d’adatomes ou en jouant le rôle de catalyseur, abaissant les barrières d’énergie. Des nouvelles et intéressantes voies de réaction sont offertes par la surface, où des réactifs insolubles pourraient également être impliqués, mais une connaissance et un contrôle précis de tous les paramètres de réaction – en particulier des interactions critiques substrat-molécules – sont nécessaires pour exprimer pleinement le potentiel de cette approche. Dans cette thèse, nous explorerons les réactions en surface utilisées pour obtenir des polymères conjugués, en nous concentrant sur la réaction de couplage de Ullmann, tout en donnant des informations générales sur d'autres approches, telles que la polymérisation du diacétylène. Le couplage Ullmann en surface est la réaction la plus utilisée – et la plus efficace – pour la préparation ascendante de polymères conjugués 1D et 2D sur des substrats métalliques, avec des propriétés adaptées au choix du précurseur moléculaire. Celui-ci est établi comme le moyen principal de réaliser des matériaux analogues au graphène, c’est-à-dire des feuilles de graphène avec un taux de trame élevé ou avec une présence ordonnée d’hétéroatomes ou de lacunes. En combinant des techniques morphologiques (microscopie à effet tunnel) et compositionnelles (spectroscopie par photoémission), étayées par des modélisation théoriques (théorie de la densité fonctionnelle), nous avons exploré les paramètres de réaction afin de mieux comprendre le mécanisme réactionnel et la cinétique: l'effet de la couverture, de l'halogène, de la surface et des hétéroatomes soufrés ont été étudiés. Les résultats ont été mis en perspective pour permettre de mieux comprendre la formation de matériaux de l’ordre de la longue distance analogues au graphène .

Abstract

The realization of few-layer thick nano-devices is one of the great challenges of nanotechnology. The need for constant miniaturization has however introduced new challenges that may break the electronics = silicon equation. A possible solution could be to use graphene as an active element, since it is a natural one-layer thick material with incredible opto-electronic properties. The downside of graphene is however its zero bandgap, which limits its possible applications. This led to the study of graphene-like materials, i.e. 1D and 2D conjugated polymers with tunable properties, grown through bottom-up approaches. The goal is to use molecule-molecule and molecule-substrate interactions to directly self-assemble the desired structure, and to further manipulate them into extended polymers with the correct architecture and tailoring possibilities. On-surface reactions are an alternative route to the common solution-based approach to obtain the required polymeric structure. The presence of the surface enables control of the dimensionality, constrains the growth and allows realization of 1D and 2D networks, while at the same time participating in the reaction as a source of adatoms or working as a catalyst, lowering energy barriers. New and interesting reaction pathways are enabled by the surface, in which insoluble reagents can also be involved, but a precise knowledge and control of all the reaction parameters – in particular of the critical surface-molecule interactions – is necessary to fully convey the potential of this approach. In this thesis we will explore the on-surface reactions used to obtain conjugated polymers. The main focus will be on the Ullmann coupling reaction, but general information will be given on other approaches, such as diacetylene polymerization.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Rosei, Federico
Mots-clés libres: science des surfaces; polymérisation à la surface; couplage Ullmann; matériaux analogues au graphène; STM; XPS; fast-XPS; surface science; on-surface polymerization; Ullmann coupling; graphene-like materials
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 08 nov. 2019 17:40
Dernière modification: 08 nov. 2019 17:40
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/9016

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