Description du sujet de thèse

La dynamique de formation des hydrocarbures polycycliques aromatiques (PAHs) dans le milieu interstellaire et dans les suies est toujours en débat, en partie du fait qu’il existe un nombre extrêmement important d’isomères possibles à leur brique élémentaire qui est le benzène C6H6. En effet, la forme la plus stable, le benzène, est bien connue des chimistes mais dès lors que de l’énergie est absorbée par cette molécule, une multitude de structures moléculaires métastables peuvent être atteintes et agir comme un réservoir d’énergie pour une réaction chimique qui pourra avoir lieu suite à une collision. Par ailleurs, dans ces molécules aromatiques, le remplacement de deux atomes de carbone par un atome de bore et un atome d’azote conduit à une molécule avec un nombre identique d’électrons et une structure similaire (on parle d’isostères CC/BN). En revanche, les propriétés optiques et électroniques se trouvent fortement modifiées par l’apparition d’un moment dipolaire non nul, ce qui rend ce type de composés très intéressants pour les applications dans les matériaux semiconducteurs organiques. Par exemple, il a été suggéré que les isostères BN des hydrocarbures polycycliques aromatiques pourraient faciliter la fission de singulet, un processus supposé augmenter l’efficacité des cellules solaires.
L’objectif de la thèse est d’étudier l’énergétique et la dynamique d’isomères métastables et d’isostères BN du benzène en phase gazeuse par différentes techniques spectroscopiques. Nous nous focaliserons sur des molécules particulières qui seront étudiées dans le cadre d’une collaboration, entre l’ISMO (Université Paris-Saclay, UPsay) et le groupe d’Ingo Fischer à l’Université de Wurtzbourg (UWzg) en Allemagne[1].
Le projet de thèse porte principalement sur les études réalisées à l’Université Paris-Saclay : la spectroscopie résolue en temps aux échelles femto (10-15 s) et picoseconde (10-12 s) pour élucider les dynamiques photo-induites dans les molécules d’intérêt. Les échantillons, synthétisés par des collaborateurs UWzg, seront vaporisés par chauffage (possiblement suivi d’une thermolyse flash), et photo-excités par une impulsion laser femtoseconde dans l’UV. La dynamique de relaxation sera sondée par spectroscopie de photo-ionisation résolue en temps utilisant la technique pompe-sonde. L’impulsion laser de sonde sera à 400 nm, à 800 nm ou bien 62 nm (20 eV) produite par génération d’harmoniques d’ordre élevé. La spectroscopie de photo-ionisation [2] est une méthode idéale pour sonder les dynamiques de relaxation ultra-rapides d’états excités, car l’ionisation d’états transitoires ou finaux d’énergies différentes produit des photoélectrons d’énergies cinétiques distinctes [3]. De plus, aucune transition n’est interdite par des règles de sélection. Ainsi, la dynamique de relaxation complète des molécules après excitation dans l’UV pourra être observée pour la première fois, aux échelles de temps femtoseconde et picoseconde.
[1] A. Röder, J. Petersen, K. Issler, I. Fischer, R. Mitrić, and L. Poisson, 'Exploring the Excited-State Dynamics of Hydrocarbon Radicals, Biradicals, and Carbenes Using Time-Resolved Photoelectron Spectroscopy and Field-Induced Surface Hopping Simulations,' The Journal of Physical Chemistry A, vol. 123, pp. 10643-10662, (2019).
[2] I. Fischer and S. T. Pratt, 'Photoelectron spectroscopy in molecular physical chemistry,' Physical Chemistry Chemical Physics, 2022.
[3] N. Kotsina and D. Townsend, 'Improved insights in time-resolved photoelectron imaging,' Physical Chemistry Chemical Physics, vol. 23, pp. 10736-10755, 2021.

Contexte de travail

Ce projet scientifique expérimental s’insère dans une collaboration internationale et interdisciplinaire, nommé Dynastère, combinant synthèse organique (UWzg), spectroscopie moléculaire (UWzg & UPSay), dynamique réactionnelle (UPsay), développements lasers (UPsay), laser XUV femtoseconde (UPsay), développement de codes d’analyse de données en Python (UPsay) et chimie théorique (UWzg).

Contraintes et risques

La thèse comportera des séjours en Allemagne dont les objectifs seront affinés selon les compétences et les motivations du candidat ou de la candidate.