Nanosciences


Offre de Thèse : Ingénierie d’interface du silicium par des matériaux 2D

Directeurs de thèse : Jean-Christophe Le Breton
(Prof. Philippe Schieffer)

Contexte :
Au sein du département Matériaux-Nanosciences de l’IPR, ce projet s’inscrit dans la thématique « hétérostructures pour l’électronique de spin » de l’équipe de physique des surfaces et interfaces (EPSI). Le but est ici d’optimiser une interface Métal Ferromagnétique (FM)/Isolant (I)/Semiconducteur (SC) pour l’électronique de spin.
La spintronique est un domaine de la physique qui s’intéresse non plus seulement à la
charge de l’électron mais également à son spin. Au début des années 90, Datta et Das ont proposé un transistor de spin à effet de champ basé sur l’injection, la manipulation et la détection de courants polarisés en spin dans des structures à base de semiconducteur [1]. L’obstacle fondamental à la réalisation d’un tel dispositif est la grande différence de conductivité entre les métaux ferromagnétiques (FM) et les semiconducteurs (SC) qui rend inefficace l’injection d’électrons polarisés en spin depuis la source de spins (FM) vers le canal (SC). Une des voies pour contourner ce problème est d’intercaler une résistance dépendante du spin à l’interface FM/SC. La méthode la plus simple et la plus efficace pour introduire cette résistance dépendante du spin est d’intercaler une barrière tunnel isolante à l’interface FM/SC mais la valeur de cette résistance d’interface doit être extrêmement bien contrôlée [2] ce qui est particulièrement difficile avec les techniques de dépôt habituelles (MBE, sputtering, etc) qui créent une forte densité de défauts à l’interface.
Néanmoins, avec la découverte et l’isolation de cristaux à deux dimensions, une nouvelle classe d’hétérostructures est en train de voir le jour [3]. Ces « hétérostructures de Van der Waals » combinant des couches 2D interagissant peu entre elles présentent un potentiel important pour la spintronique.

Objectifs de la thèse :
Si les jonctions Graphène/Si sont très étudiées du fait de leur intérêt pour le photovoltaïque, les études portants sur les structures de type M/G/Si sont, elles, plus rare. Parmi celles-ci on note toutefois la démonstration d’injection de spin dans le silicium à travers une monocouche de graphène [4,5]. En effet, ce matériau présente une anisotropie de conductivité permettant de l’utiliser à la foi comme un semi-métal (dans le plan) mais aussi comme un isolant (perpendiculaire au plan). Ces études soulèvent néanmoins de nombreuses questions concernant la physico-chimie d’interface ou les mécanismes de transport et d’accumulation de spin. L’objectif de cette thèse est de répondre à ces questions afin de proposer des hétérostructures optimisées pour la spintronique.
Nous avons récemment montré par photoémission que l’intégration de graphène sur silicium hydrogéné permettait de conserver la passivation du semiconducteur même après dépôt d’une couche métallique. La densité d’états d’interface est alors réduite et la hauteur de barrière Schottky fortement diminuée [6,7]. Ces caractéristiques d’interface sont particulièrement adaptées à l’injection de spin dans les semiconducteurs car elles permettent de réduire la résistance d’interface tout en minimisant le transport séquentiel via des états de défaut où la polarisation en spin est perdue [8]. Par ailleurs, l’interaction avec le substrat étant faible, d’autres matériaux 2D pourraient être utilisés sans modifier fondamentalement la surface de Si.
Il s’agira donc de réaliser et caractériser les structures FM/2D/SC les mieux adaptées à la
spintronique. Nous développerons pour cela différentes méthodes de passivation du semiconducteur (hydrogénation, traitement au souffre, monocouche organique), le transfert de différents matériaux 2D ou empilements de matériaux 2D (graphène mono- ou multi-couche, Nitrure de Bore) ou encore différentes électrodes ferromagnétique (Fe, Co) afin de correspondre aux critères de Fert et Jaffres pour l’injection de spin à savoir un faible produit résistance-surface et un fort filtrage en spin.
Différentes méthodes de caractérisation seront réalisées afin de mettre en regard la physico-chimie d’interface, les mécanismes de transport électronique et les performances d’injections de spin. Des mesures d’accumulation de spin non locale (avec transport de spin dans le canal SC) [9] ou encore d’injection thermoélectrique de spin [10] pourront à terme être réalisées.

Moyens expérimentaux : Le(a) candidat(e) bénéficiera de l’ensemble du parc expérimental de l’équipe, proposant des outils de croissance sous ultra-vide, de caractérisation de surface (photoémission X et UV, microscopie à effet tunnel ou STM, AFM, spectroscopie Raman), de transport à l’échelle micrométrique (mesures I-V et C-V) et nanométrique (Microscopie à Emission d’Electrons Balistiques) et de caractérisation magnétique (effet Kerr magnéto-optique, BEMM, effet Hanle). L’approche proposée dans ce travail de thèse est originale, du fait de la combinaison du savoir-faire de l’équipe dans l’optimisation d’hétérostructures pour la spintronique et de ces différents moyens expérimentaux permettant une caractérisation multiéchelle des échantillons.

Collaborations : Des collaborations avec l’UMR mixte Thalès-CNRS (P. Seneor, J.-M.
Georges) ainsi qu’avec l’institut Jean Lamour de Nancy (Y. Lu) enrichiront les études de magnétotransport par des mesures à très basse température et fort champ. Des collaborations avec le GeePs à Palaiseau (S. Le Gall) ont démarré pour la caractérisation électrique locale de structures Métal/Graphène/Si. Des mesures de photoémission locale au synchrotron SOLEIL (ligne ANTARES, contact Marie-Carmen Asensio et Antonio Tejeda) seront, selon les systèmes élaborés, aussi envisagées.

Expertise et Complémentarité des encadrants:
Jean-Christophe Le Breton : magnéto-transport, lithographie, réalisation des échantillons.
Sophie Guézo : microscopie en champ proche.
Philippe Schieffer : Photoémission, transport.
Bibliographie :
[1] S. Datta and B. Das, Appl. Phys. Lett. 56, 665 (1990).
[2] A. Fert and H. Jaffrès, Phys. Rev. B 64, 1 (2001).
[3] D. Jariwala, T. J. Marks, and M. C. Hersam, Nat. Mater. (2016).
[4] O. M. J. van ’t Erve, A. L. Friedman, E. Cobas, C. H. Li, a. T. Hanbicki, K. M. McCreary, J. T. Robinson, and
B. T. Jonker, J. Appl. Phys. 113, 17C502 (2013).
[5] O. M. J. van ’t Erve, A L. Friedman, E. Cobas, C. H. Li, J. T. Robinson, and B. T. Jonker, Nat. Nanotechnol. 7,
737 (2012).
[6] J. C. Le Breton, S. Tricot, G. Delhaye, B. Lépine, P. Turban, and P. Schieffer, Appl. Phys. Lett. 109, (2016).
[7] J. C. Le Breton, et al. en préparation (2017).
[8] M. Tran, H. Jaffrès, C. Deranlot, J.-M. George, a. Fert, a. Miard, and a. Lemaître, Phys. Rev. Lett. 102,
036601 (2009).
[9] X. Lou, C. Adelmann, S. a. Crooker, E. S. Garlid, J. Zhang, K. S. M. Reddy, S. D. Flexner, C. J. Palmstrøm, and
P. a. Crowell, Nat. Phys. 3, 197 (2007).
[10] J.-C. Le Breton, S. Sharma, H. Saito, S. Yuasa, and R. Jansen, Nature 475, 82 (2011).

Pour prendre contact, envoyer un CV, une lettre de motivation ainsi qu’une lettre de recommandation du responsable de sage de M2, à:
jean-christophe.lebreton@univ-rennes1.fr
Contrat de thèse : 01/10/2017 au 01/10/ 2020
Domaines de M2 : Matériaux, Couches Minces, Nanosciences, Physique des Surfaces et Interfaces, Matière Condensée, Physique du solide

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Séminaire Matériaux Nanosciences : Marie HERVE « Spin resolved scanning tunneling microscopy: Non-collinear magnetism and high frequency dynamic properties

Intervenante : Marie HERVE,
Karlsruhe Institute of Technology

DATE : 24 janvier 2017 – 14h00 – Salle 120

In magnetic thin films the Heisenberg exchange interaction often leads to a parallel or antiparallel alignment of neighboring spins in the crystal. When inversion symmetry is broken e.g. by a surface or an interface, the non-collinear Dzyaloshinskii-Moriya interaction competes with the Heisenberg exchange interaction. This competition can lead, in some case, to the stabilization of complex spin textures such as spin spirals or skyrmions. Investigation of the local dynamic properties of magnetic structures – such as skyrmion or nano-skyrmionic lattice – require the implementation of experimental technique with a high spatio-temporal resolution (nm and sub-ns resolution). In this talk, I will first show that spin-polarized STM (SP-STM) is an ideal tool to probe such non-collinear magnetic structure. In a second part I will present our current progress in the development of a new experimental technique combining ferromagnetic resonance (FMR) with SP-STM.

 

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Révélation sur la nature réelle des fluides dans des nanocapillaires.

Communiqué de presse de l’AIP 10 janvier 2017 : En étudiant le comportement des fluides à l’échelle nanométrique, des chercheurs de l’IPR ont découvert un état particulier de mélanges de liquides contenus dans des canaux nanométriques.

Pour en savoir plus :
https://publishing.aip.org/publishing/journal-highlights/zeroing-true-nature-fluids-within-nanocapillaries

http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4972126

Contact : Denis MORINEAU /Directeur de recherche / IPR

       Coordonnées : denis.morineau@univ-rennes1.fr / +33 2 23 23 69 84

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Creation of an international associated common laboratory involving the CNRS, 4 French universities and 4 Japanese universities

The creation of this new international Laboratory (LIA) is the result of long term and fruitfull collaborations between high level institutions in France and Japan. This LIA is a new step in scientific excellence of these research groups.
The kick-off meeting of LIA IM-LED gathered more than 50 researchers in Tokyo on December 12th and 13th.
Besides the participants of University of Tokyo, Tokyo Institute of Technology, University of Tohoku and University of Kyoto, a French delegation of about twenty French researchers from CNRS (French national center for scientific research), University of Rennes 1, University of Nantes, University of Maine and University of Versailles-St Quentin made the trip to Japan in order to participate to this event.

The project has been presented to the institutions representatives at the French embassy in Japan, where the cooperation agreement was signed on December 12th.
The next day was dedicated to the scientific project exploring three main routes dealing with ultrafast electronic and structural dynamics, elastic field-driven cooperativity and and electric field effects.
This work aims at developing a new control science of materials propertie’s on demand, in order to achieve more effective and faster devices, by means of impulses laser ultra-short and of intense electric fields.

Read also….

http://www.titech.ac.jp/english/news/2017/037227.html

 https://www.univ-nantes.fr/1481641659656/0/fiche___actualite/&RH=INSTITUTIONNEL_FR

 http://www.uvsq.fr/signature-au-japon-d-un-laboratoire-international-associe-dedie-a-la-matiere-condensee-388123.kjsp

  https://www.facebook.com/permalink.php?story_fbid=1747524535565112&id=1502405876743647

 

 

 

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Création d’un laboratoire international associé commun impliquant le CNRS, 4 universités françaises et 4 universités japonaises.

Un accord de coopération sera signé lundi 12 décembre 2016 entre la France et le Japon pour la création du laboratoire international associé (LIA) IM-LED ”Impacting materials with light and electric fields and watching real time dynamics” en présence de Thierry Dana, Ambassadeur de France au Japon, Niels Keller, directeur adjoint scientifique au CNRS et des représentants des différentes universités. Un séminaire se déroule les 12 et 13 décembre à Tokyo pour présenter le projet et discuter ses axes scientifiques majeurs.

Ce projet vise à structurer au niveau international le développement d’une science émergente du contrôle dans le domaine de la matière condensée. Le but est de comprendre et de maîtriser la modification de propriétés physiques de matériaux à l’aide de la lumière ou de champs électriques. Les acteurs français et japonais jouent un rôle reconnu sur la scène internationale pour l’étude de ces mécanismes hors-équilibre et leur observation en temps réel sur des échelles de temps atteignant celles des processus électroniques ou des transformations moléculaires élémentaires.

Ce projet initié avec le CNRS est porté par le professeur Eric Collet de l’Institut de Physique de Rennes pour l’Université de Rennes 1 et le professeur Shin-ichi Ohkoshi pour l’Université de Tokyo et implique l’Université de Nantes (IMN), l’Université du Maine (IMMM), l’Université de Versailles Saint-Quentin (GEMAC), le Tokyo Institute of Technology, l’Université de Tohoku et l’Université de Kyoto.

 photo-2-groupe_photoLaboratoires français impliqués :

  Contact IPR : Eric Collet – eric.collet@univ-rennes1.fr

http://www.cnrs.fr/inp/spip.php?article4925

https://www.univ-rennes1.fr/actualites/12122016/controle-de-la-matiere-condensee-nouveau-laboratoire-commun-franco-japonais

http://www.ambafrance-jp.org/IM-LED-nouveau-laboratoire-franco-japonais-dans-le-domaine-des-materiaux

http://www.titech.ac.jp/english/news/2017/037227.html

http://www.titech.ac.jp/news/2017/037150.html

https://www.univ-nantes.fr/1481641659656/0/fiche___actualite/&RH=INSTITUTIONNEL_FR

http://www.uvsq.fr/signature-au-japon-d-un-laboratoire-international-associe-dedie-a-la-matiere-condensee-388123.kjsp

https://www.facebook.com/permalink.php?story_fbid=1747524535565112&id=1502405876743647

 

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Journée des Entrants de l’IPR

Le 7 novembre dernier, s’est déroulée la journée des Nouveaux Entrants de l’IPR.
12 personnes ont participé à cette journée durant laquelle on leur a présenté le fonctionnement de l’unité, son organisation, ils ont également pu visiter les 6 départements de l’Institut.

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31ème édition des Journées Surfaces et Interfaces

DATES : du 25 au 27 Janvier 2017
Lieu : Pôle Numérique Rennes Beaulieu

Le colloque « Journées Surfaces et Interfaces » met en lumière chaque année les avancements dans le domaine de la physico-chimie des surfaces et des interfaces. Ce colloque couvre de nombreuses thématiques allant de la structure et de la morphologie des surfaces et interfaces jusqu’aux propriétés électriques, magnétiques, mécaniques ou optiques. De par l’importance des surfaces et des interfaces dans les nanostructures, les nanosciences sont chaque année très présentes dans ce colloque.flyer_oct2016

Le programme scientifique des Journées Surfaces Interfaces 2017 s’articule comme chaque année autour d’une quinzaine de conférences invitées qui présentent les faits marquants et les développements récents des disciplines précitées ainsi que de deux sessions de communications par affiche.

L’édition 2017 de ces journées est organisée par FOTON, l’ISCR (Institut des Sciences Chimiques de Rennes) et l’IPR (Institut de Physique de Rennes).

Site des JSI 2017 : https://jsi2017.sciencesconf.org/

DATE LIMITE D’INSCRIPTION : 9 décembre 2016

Contact :
Sophie GUEZO –jsi-pnrb Francine SOLAL
Email : jsi2017@sciencesconf.org

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« Transport de l’eau à travers des membranes de graphène & de nitrure de bore nanoporeux »

La disponibilité de l’eau potable est devenue aujourd’hui un problème mondial en raison d’une croissance continue de la demande qui n’est pas compensée par une recharge suffisante. Les Nations Unies prévoient que d’ici 2025, près des deux tiers de la population mondiale vivra dans des zones de stress hydrique important caractérisé par un déficit en eau pour la consommation, l’industrie ou l’agriculture. L’accès des populations à l’eau est donc un défi majeur pour les décennies à venir, non seulement pour les pays en développement mais aussi pour les pays industrialisés.

Les seules méthodes permettant d’augmenter l’approvisionnement en eau au-delà de ce qui est possible à partir du cycle hydrologique sont le dessalement et le recyclage des eaux. Dans ce contexte, les techniques membranaires sont particulièrement attractives et s’inscrivent pleinement dans une stratégie d’intensification des procédés. A titre d’exemple, l’osmose inverse est aujourd’hui le procédé le plus utilisé à l’échelle mondiale pour le dessalement des eaux saumâtres et de l’eau de mer. Tandis, que cette technologie a prouvé son efficacité en terme de rétention d’ions, elle reste néanmoins relativement couteuse étant donnée la faible perméabilité de l’eau aux travers des membranes actuelles.

Récemment il a été montré que l’utilisation de graphène nanoporeux permettait d’améliorer la perméabilité de l’eau réduisant ainsi le cout énergétique d’une de dessalement [1]. Bien que de nombreux travaux aient été consacrés au « design moléculaire » de ces membranes afin d’accroitre la perméabilité de l’eau et la rétention des ions, les phénomènes physiques impliqués dans les mécanismes de transport de l’eau et des ions à travers ces membranes graphitiques sont encore mal compris.

En utilisant la simulation moléculaire, une équipe de physiciens et de chimistes a montré, pour la première fois, que des membranes de nitrure de bore hexagonale (h-BN) présentaient une perméabilité plus importante que les membranes à base de graphène [2]. Cette différence de perméation de l’eau a été expliquée par la mise en évidence d’un gradient de tension de surface près de la surface de nitrure dactu-aziz-25-aout-2016e bore (Figure 1) entrainant un écoulement plus rapide. Par ailleurs, en alignant en série plusieurs monocouches de nitrure de bore ils ont mis en évidence une tension de surface locale négative entrainant un mouillage à longue portée à l’origine de la dégradation des propriétés de transport de l’eau.  Ces résultats montrent que les monocouches de nitrure de bore sont des candidats potentiels pour le dessalement de l’eau de mer et que la perméabilité de l’eau peut être contrôlée en modifiant  la chimie de surface du nanopore.

Figure 1: Illustration du transport de l’eau à travers une monocouche de nitrure de bore hexagonale nanoporeuse (au centre). Profile de tension de surface près de la surface pour le graphène et le nitrure de bore hexagonal.

[1] D. Cohen-Tanugi and J.C. Grossman, Water desalination across Nanoporous Graphene, Nanoletters, 2012, 12, 3602.
[2] L. Garnier,  A. Szymczyk, P. Malfreyt and A. Ghoufi, Physics behind Water Transport through Nanoporous Boron Nitride and Graphene, J. Phys. Chem. Letters, 2016, 7, 3371.

Contact : Aziz GHOUFI, Maître de conférences, Dépt Matériaux Nanosciences, Institut de Physique de Rennes (aziz.ghoufi@univ-rennes1.fr)

Liens vers les sites liés à l’actu :
* Spotlight J. Phys. Chem. Letters:  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.6b01911
* Plateau TV Fête de la science: 2016)  https://www.youtube.com/watch?v=1TjHaNJ6v6w&feature=youtu.be&t=17m10s
* Actu UR1 : https://www.univ-rennes1.fr/actualites/30082016/faciliter-lacces-leau-potable-en-reduisant-les-couts-du-dessalement
* Magazine Science Ouest Octobre: http://www.espace-sciences.org/sciences-ouest
* Film: https://www.youtube.com/watch?v=bBlu_SDzbcw&feature=em-upload_owner

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Village des Sciences 2016 : un succès renouvelé !

Le Festival des Sciences a eu lieu pour la 11ème édition du 1er au 16 octobre 2016.
Cette année, le Village des Sciences se déroulait dans le hall Querne de l’INSA du 14 au 16 octobre, sur le campus de Beaulieu.

Une fois encore, cette Fête de la Science a suscité beaucoup d’intérêt sur des sujets aussi divers que la lumière, le recyclage, la santé,l’imagerie par satellite etc …

Les 3 stands de l’IPR ont connu un grand succès et un record d’affluence !

Stand du Département Physique Moléculaire : « Petits pièges en eaux troubles »

A quel point connaissons-nous vraiment l’eau ? Peutpm-photo1-on fabriquer des glaçons autrement qu’avec un congélateur ? Peut-on faire exploser de l’eau ? Peut-on faire bouillir de l’eau à quarante degrés ? A travers de petites expériences amusantes, nous partirons à la découverte des propriétés de l’eau et répondrons à ces questions et quelques autres.

 

 

 

Stand du département Matière Molle : « à la découverte de la matière molle »
Le monde de la « Matière Molle » se situe à l’interface entre la physique, la chimie et la biologie. Il enune-oct2016-007globe de nombreux matériaux de la vie de tous les jours : les gels, les mousses liquides, les émulsions, les pates, les tas de grains, les fluides dont on a l’impression qu’ils coulent étrangement, etc.… On retrouve effectivement tous ces matériaux dans l’agroalimentaire, dans les cosmétiques ou encore  la pharmacie.Les chercheurs du département « matière molle » de l’institut de physique de rennes étudient les propriétés de ces matériaux, de manière à déterminer les origines microscopiques de ces comportements et à comprendre pourquoi ils ne ressemblent finalement ni vraiment à des solides, ni vraiment à des liquides.

Stand du département Matériaux Nanosciences : « à la découverte du nanomonde »
Quel est le lien entre le monde « macroscopique » et le monde « nanoscopique » ? Comment s’organise la matière à l’échelle « nano » ? Comment sommes-nous capable de l’observer mn-photo1? Nous découvrirons ensemble les propriétés des matériaux, à l’échelle de l’atome et à l’échelle macroscopique, et essaierons de comprendre le travail des chercheurs du département « Matériaux-Nanosciences » de l’Institut de Physique de Rennes.

 

Lien vers l’ensemble des vidéos du Plateau TV Village des Scienceshttps://youtu.be/saE9DgShHBs

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Soutenance de thèse : Liya Khadeeva « Photo-isomerisation and photo-induced NO release in Ruthenium nitrosyl compounds »

DATE : 13/10/2016 – à partir de 10h00
Amphi Grandjean – 10 B – Campus de Beaulieu

Le jury : Guy Buntinx, DR LASIR (Lille), président

Philippe Guionneau, PR, Univ. Bordeaux, Rapporteur

Ryszard Naskrecki, PR, Univ. Adam Mickiewicz, Poznan, Rapporteur

Isabelle Dixon, CR CNRS, examinatrice

Isabelle Malfant, PR LCC Toulouse, membre invitée

Marylise Buron, Directrice thèse

PHOTO-ISOMÉRISATION et LIBÉRATION PHOTO-INDUITE de NO× RADICAL
dans les COMPLEXES de RUTHÉNIUM à LIGAND NITROSYLE
Ce travail de thèse est centré sur l’étude expérimentale de deux types de transformations photoinduites observées dans différents complexes métalliques (Fe;Ru; :::) à ligand nitrosyle :(i) la photoisom érisation au cours de laquelle le ligand NO passe d’un état lié par l’azote (M ? NO, état stable GS) à un état lié par l’oxygène (M ? ON, état métastable MSI). C’est un processus réversible et un second état métastable, ‘side-on’ MSII (M <NO ) est observable au cours du processus inverse, MSI ! ‘side-on’ MSII ! GS ; (ii) la libération photo-induite du radical NO×. La photo-isomérisation a été étudiée dans le système [Ru(py)4Cl(NO)](PF6)2 ×1=2H2O (sur monocristal) par la diffraction des RX, l’absorption visible statique et l’absorption UV-Vis résolue en temps. Nous avons pu mettre en évidence un processus d’absorption de photons (lambda = 473 nm) en deux étapes, suivre la dynamique des transformations directes et inverses par l’évolution des paramètres de maille et des l’absorption optique visible, caractériser structuralement l’état ‘side-on’ MSII. La nature de l’état intermédiaire, MSII, lors du processus direct semble être différente de l’état ‘side-on’ mais la très faible population de cet intermédiaire n’a pas permis de trancher déffnitivement. Le rôle de la molécule d’eau dans la maille du complexe [Ru(py)4Cl(NO)](PF6)2 × 1=2H2O a été testé par diffraction des RX sur les échantillons hydratées, déshydratées et réhydratées. L’effet de déshydratation sur l’évolution des paramètres de maille et sur la génération d’espèces MSII au cours de la photo-commutation inverse, MSI ! MSII ! GS, est présenté. La libération photo-induite du radical NO× a été étudiée dans une solution d’acétonitrile du complexe trans?(Cl;Cl)[RuII (FT)Cl2(NO)]PF6 par spectroscopies d’absorption UV-Vis et Mi-IR, statiques et résolues en temps. En observant la dynamique ultra-rapide de la photo-transformation, nous avons mis en évidence un processus d’absorption de photons (lambda = 406 nm) en deux étapes. La nature de l’état intermédiaire est discuté par rapport à de récents calculs théoriques et au processus de
photo-isomerisation.

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