Assembling strategies of magnetic nanoparticles onto functionalized surfaces by click chemistry

Cette thèse présente une nouvelle méthode d’assemblage de nanoparticules (NPs) magnétiques par une approche de chimie « click » sur des surfaces fonctionnalisées par des molécules organiques (self-assembled monolayers, SAMs). Le contrôle précis de la nanostructure des assemblages permet d’étudier les propriétés magnétiques collectives des NPs modulées par les interactions dipolaires. Un état de l’art des travaux décrits dans la littérature est présenté sur la synthèse de NPs d’oxydes métalliques, les enjeux et méthodes d’assemblage de NPs magnétiques ainsi que les propriétés magnétiques des NPs. Plusieurs types de NPs d’oxydes de fer présentant différentes tailles, morphologies (sphère, cube, tétrapode) et structures internes (coeur-coquille) sont synthétisés par la méthode de décomposition thermique La méthode développée d’assemblage des NPs consiste en une réaction dite « Copper (I) catalyzed alkyne-azide cycloaddition » (CuAAC), basée sur les interactions spécifiques entre des groupes alcyne et azoture présents à la surface des NPs et des SAMs. La fonctionnalisation des NPs et la préparation des SAMs sont également décrites. En modulant les conditions opératoires lors de la réaction d’assemblage, différentes nanostructures (films denses, NPs spatialement isolées ou chaînes de NPs) sont obtenues dans le but d’étudier les propriétés magnétiques collectives des NPs dans les assemblages. Un effet de la distance interparticule et de la mise en forme des NPs en 2D sur les interactions dipolaires sont mis en évidence. La réaction de click pour l’assemblage de NPs est ensuite perfectionnée, d’une part, la diminution du temps de la réaction d’assemblage en présence de radiations microondes, et d’autre part la préparation de films multicouches de NPs « one-pot » en contrôlant la réaction de click par électrochimie. Enfin des dispositifs magnéto-résistifs sont élaborés en déposant des assemblages denses de nanoparticules entre deux électrodes distantes d’une centaine de nanomètres.This thesis aims to develop a new method to control the assembling of iron oxide magnetic nanoparticles (NPs) by “click” chemistry onto surfaces functionalized by organic molecules (self-assembled monolayers, SAMs). The high control on the nanostructure of NP assemblies results in the study of the collective magnetic properties. The state of the art, on the NPs synthesis, on the issues and methods of the assembling of magnetic NPs and on the magnetic properties of NPs films is established. The NPs of different sizes, morphologies and inner structures are synthesised by thermal decomposition. Self assembled monolayers (SAMs) are deposited on the substrates to address their surface for the NPs assembling. This assembling is achieved by specific interactions between alkyne and azide groups worn by the NPs and the SAM by theCopper Catalyzed Alkyne-Azide Cycloaddition (CuAAC) reaction which leads to covalent and irreversible anchoring of the NPs onto the substrate’s surface. Various nanostructures of NP assemblies (spatially isolated NPs, dense films, NPs chains) are obtained in order to study their magnetic properties. The interparticule distance and the dimensionality of the assembly (2D, 1D) are shown to strongly modulate dipolar interactions. The assembling by click chemistry is then improved by two means: (i) microwave activation to shorten the reaction time and (ii) control of the reaction by electrochemistry and 3D films preparation. This method is suitable for the elaboration of magnetoresitive devices by deposition of dense films of NPs between electrodes remote from a hundred of nanometers