Nanostructuration d'objets métalliques sur surfaces à défauts
Résumé
This Ph-D concerns the theoretical study of self-organized growth of metallic or inert species adsorbed on stepped surfaces. The aim of this study was to provide a quantitative understanding of the microscopic mechanisms that are responsible for the formation of well-defined nanostructures near steps. In particular, we want to predict the best experimental conditions which lead to a given nanostructure characterized by its nature (wire, grating), its size and width. The growth of adsorbates on a surface has an out-of equilibrium behavior which is mainly describe by three processes such as deposition, diffusion and aggregation of adatoms on the surface. Therefore, this thesis has been splitted into three parts. The first part is a review of the different approches of the diffusion theory. This one allow us to justify the approximations that we have made when we have implemented the diffusion model into the growth code. The second part of the manuscript deals with the explanation of this Kinetic Monte-Carlo code and its limitations. Finally, the applications treated in my thesis are tackled in details. The main results that we have reached are: Occurence of a nanometer switch for xenon adsorbed on a two steps surface of Cu(110). Two different wires could be obtained near steps along the [100] and [1-10] directions of the copper surface. The step decoration is guided by the temperature and comes from the competition between the equilibrium and kinetic regimes. Confinement effects on the wire densities. The confinement effect, due to the finite size of the terraces between two steps strongly modify the auto-organized growth of metallic species on stepped surfaces. On small terraces like Pt(997), well-defined and dense wires of silver species are obtained. By contrast, on larger terraces, the islands attached to the steps exhibit a fractal shape without any periodic behavior. Formation of nanowires or nanogratings as a function of the confinement. On small terraces like Pt(997), a perfect grating formed by well-defined wires of silver species localized at step foot is obtained. For intermediate confinements, each step is decorated by a periodic arrangement of islands constituting a kind of grating. The associated wave-length can be controled by the temperature and coverage rate of adsorbate deposited on the surface. This work is not ended at all and opens the way to different possible investigations. For instance, the formation of metallic alloys formed in out-of equilibrium is probably very promising for the information storage. KEYWORDS Growth Diffusion Semi-empirical potentials Kinetic Monte Carlo Confinement Nanostructure and nanowire
Ce travail de thèse concerne l'étude théorique de la croissance auto-organisée d'atomes métalliques ou de gaz rares adsorbés sur des substrats contenant des défauts. Le but est de prévoir les conditions de fabrication de nanostructures de taille et de géométrie données, en axant tout particulièrement nos recherches sur la formation des nanofils. La croissance est essentiellement guidée par des processus hors équilibres comme le dépôt ou la diffusion d'atomes sur la surface. Nous avons donc volontairement scindé cette analyse en trois parties. La première partie permet d'appréhender les phénomènes de diffusion, la seconde présente dans son intégralité le modèle numérique utilisé pour simuler la croissance et la troisième et dernière partie traite des applications que nous avons abordées. Dans la première partie, nous avons passé en revue les différentes approches théoriques de la diffusion. Cette analyse nous a montré que l'équation de Langevin permet de décrire la diffusion de la particule comme un mouvement frictionnel avec les atomes de la surface. Finalement, nous donnons les expressions des différents coefficients de diffusion en fonction de la force de friction. Le moteur de la croissance est géré par des phénomènes de nature aléatoires (dépôt, diffusion). Par conséquent, un programme numérique de Monte Carlo Cinétique (KMC) a été mis au point. Il a permis de traiter rigoureusement la nanostructuration au voisinage des défauts. Le dépôt est gouverné par le flux d'atomes arrivant sur la surface par unité de temps et la diffusion suit une loi d'Arrhénius proportionnelle à la hauteur du puits de potentiel à franchir et inversement proportionnelle à l'énergie thermique. L'originalité du programme provient du calcul explicite de l'ensemble des barrières de diffusion à partir de potentiels semi-empiriques et cela pour tous les processus recensés susceptibles d'intervenir sur la surface. Les applications utilisant le programme de KMC ont abouti aux résultats principaux suivants : Construction d'un commutateur de nanofils de xénon modulé par la température sur la surface de cuivre (110) anisotrope. Influence du confinement sur l'auto-organisation spatiale des atomes d'argent. Ce confinement engendre notamment lorsqu'il est fort (surface vicinale de Pt(997)) la disparition de l'habillage fractal des marches à basses températures et la formation à plus hautes températures d'un réseau de nanofils parfait. En fonction de la puissance du confinement (distance de séparation des marches) , symétrique ou antisymétrique, la modification de l'organisation structurelle de la croissance de surface apparaît avec notamment, la formation d'un nanoréseau dont le pas évolue avec le confinement. Ce travail de thèse ouvre naturellement la voie à l'étude de la croissance d'adsorbats moléculaires en présence de défauts et également, à la croissance d'alliages bimétalliques.