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  AVERTISSEMENT Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la communauté universitaire élargie. Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de référencement lors de lutilisation de ce document. Dautre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite encourt une poursuite pénale. Contact SCD Nancy 1 :cyan-nhp.ucd@sescneics.sesehtf.r    Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10 http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.phphttp://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm
LIENS
U.F.R.SciencesetTechniquesdelaMati`ereetdesProc´ede´s ´ ´ EcoledoctoraleEnergieMe´caniqueMAt´eriaux GroupedeFormationDoctoralePhysiqueetChimiedelaMatie`reetdesMat´eriaux
Th`ese pr´esent´eepourlobtentiondutitrede DocteurdelUniversit´eHenriPoincar´e,NancyI en Physique parOTDIDIntmelCe´
Etudedespropri´ete´se´lectroniquesdes´etatsde Shockley dans les surfaces nanostructur´ees auto-organise´es.
Soutenance publique pr´evue le 29 octobre 2007
Membres du jury : Rapporteurs : M. Philipp AEBI M.S´ebastienGAUTIERProfesseur,Universit´edeNeuchatel,Suisse Examinateurs : M. Bruno GRANDIDIER Directeur de Recherche, Toulouse M. Bertrand KIERREN Directeur de Recherche, Lille M. Daniel MALTERRE Professeur, U.H.P., Nancy I (Codirecteur de th`ese) M. Williams SACHS Professeur, U.H.P., Nancy I (Codirecteur de th`ese) Professeur, Universit´e de Paris,
Laboratoire de Physique des Mat´eriaux Faculte´desSciences-54500Vandœuvre-l`es-Nancy
 
Tabledesmati`eres
Introduction 1 ´ 1 Etats de surface et spectroscopies associ´ees 3 1.1Notionde´tatsdesurface.............................3 1.1.1 Origine des ´etats de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.2 Etats de Shockley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.3 Temps de vie des ´etats de Shockley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1.4 Interaction des ´etats de Shockley avec les d´efauts . . . . . . . . . . . 8 1.1.5 Etats de Tamm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2 Principe physique de la spectroscopie de photo´electrons . . . . . . . . . . . 11 1.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.2 Principe de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.3Approche´el´ementaire..........................13 1.3 Application de la photo´emission aux ´etats de Shockley . . . . . . . . . . . . 16 1.4 Principe physique de la microscopie et spectroscopie `a effet tunnel . . . . . 17 1.4.1 Rappels sur l’effet tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.4.2 Mod`ele de Tersoff Hammam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.4.3Expressiong´ene´raleetde´pendanceentensionducouranttunnel..20 1.4.4 Application `a la microscopie tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.4.5 Application `a la spectroscopie tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.5STSappliqu´eeauxe´tatsdeShockley......................27 1.5.1 D´etermination de l’´energie de bas de bande . . . . . . . . . . . . . . 27 1.5.2Re´solutionexpe´rimentaleettempsdevie...............28 1.5.3R´esolutionenk..............................30 2 Surfaces vicinales reconstruitesvAu(111)33 2.1 Probl´ematique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2Proprie´te´sstructuralesdesv. . . . . . . . . . . 34Au(111) . . . . . . . . . . 2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2.2Proprie´te´sstructuralesdusubstratdAu(111).............34 2.2.3Propri´et´esstructuralesdesvAu(111) . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.3Propri´et´ese´lectroniquesdelasurfacedelAu(111)..............39 2.3.1 Etude par STM/STS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 1
´ 2.3.2 Etude par ARPES haute r´esolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.4Propri´ete´se´lectroniquesdansladirectionperpendiculaireauxmarches...46 2.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.4.2 Confinement ´electronique dans une structure quasiment unidimen-sionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.5Propri´et´es´electroniquesdansladirectionparall`eleauxmarches.......55 2.5.1Descriptiong´ene´rale...........................55 2.5.2 Calcul de la distribution de poids spectral . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.5.3Analysed´etaille´edesdonn´eesdARPESdelAu(232321)......62 2.5.4 Comparaison avec ARPES de la surface d’Au(788) . . . . . . . . . . 68 2.5.5 Spectroscopie tunnel survAu(111) .. . . . . . . . . . . . . . . . .  70 2.5.6 Simulation num´erique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 ´ 2.5.7 Etats du volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 2.6 Conclusion du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3Croissancedenanostructuresauto-organis´eessurAu(788)etAu(23 23 21)85 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.2Me´canismesmicroscopiquesdecroissance...................86 3.2.1Nucle´ationetcroissancesursurfacehomog`ene............86 3.2.2 Croissance auto-organis´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.3Croissancedenanostructuresauto-organis´eessurlessurfacesvAu(111) reconstruites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.3.1 Croissance de nanostructures de cobalt . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.3.2 Croissance de nanostructures d’argent . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.3.3 Croissance de nanostructures de Cu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.4 Conclusion du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4 Comportement de l’´etat de Shockley dans des r´eseaux de nanostructures113 4.1 Boˆıtes quantiques faiblement coupl´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.1.1 Cobalt sur Au(788) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.1.2 Cobalt sur Au(23 23 21) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.2Boıˆtesquantiquesfortementcoupl´ees......................121 4.2.1Proprie´te´se´lectroniquesdesr´eseauxdeplotsdargentsurAu(788).122 4.2.2R´esonancesquantiques`alint´erieurdesnanostructuresdargent...124 4.2.3Proprie´t´ese´lectroniquesdesr´eseauxdeplotsdargentsurAu(232321)125 4.2.4Proprie´t´es´electroniquesdes´decuivresurAu(232321)...127 reseaux 4.2.5Controˆledese´nergiesdesre´sonances..................127 4.3 Conclusion du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Conclusion 133 Bibliographie 144
Introduction
Le 20emetteenhcegoloeuqijemaeuruqitneicsnoitulvo´enerupa´equar´tmeaee´e`lcis avecle´mergencedunsecteurderechercheassoci´ea`laconvergencededi´erentesdisci-plines.R´eunissant`alafoislaphysiquedesmat´eriaux,lachimieetlabiologie,cesecteur enpleinessorsint´eresseauxme´canismes`al´echelleatomiquedanslesmate´riaux.La naissancedecettedisciplineestsouventattribu´eeaudiscoursfondateuretvisionnaire Theresplentyofroomatthebottomquepronon¸caR.P.Feynmanend´ecembre1959[1]. Iltalorsallusionaufaiblede´veloppementdelarecherchedansundomainequidevien-dra par la suite celui des ”nanosciences”. Une de ses principales interrogations concernait alors la capacit´e de pouvoir d´eplacer directement les atomes et de les assembler de mani`ere contrˆle´e,cequiselonlui´etaitautoris´eeparlesloisphysiques.Lavoienefutouvertequen o 1981 avec l’invention du microscope `a effet tunnel par Binning et Rohrer [2]. Pour la pre-mie`refois,ile´taitpossibledacc´eder`aunere´solutionsusantepour´etudieretcomprendre danslespacedirectlespropri´et´esdelamati`ere`al´echelleatomique.Toutefoislagrande mobilit´eatomiqueempˆechaitlutilisationdelapointedumicroscopepourmanipulerles atomesindividuellementetdemani`erecontrˆole´e.Lasolution`acede´technologiquenest alorsapparuequen1990,lorsquelegroupedeD.Eiglerparvint`aint´egreruncryostat `ah´eliumliquide(5K)aumicroscopepourabaisserlatemp´eraturedessurfaces´etudie´es. Lexp´eriencedemanipulationatomiquefutr´ealis´eeavecdesatomesdeX´enonsurune surfacedeNi(100),aboutissant`al´ecrituredeslettresI,B,Mpard´eplacementdes atomes,una`un,telsdesbriques´el´ementairesdelamati`ere. Lacompr´ehensiondespropri´et´esdelamatie`rea`cettee´chelleestprimordialepour maˆıtriserdessyst`emesconstituesdobjetsdetaillesnanom´etriques.Cette´etapeestindis-´ pensableetpermettradanslavenirder´ealiserdessyst`emespluscomplexesdestin´es`ades applications. Cette approche n’a pas pour seul but de miniaturiser. En effet, de nouvelles propri´et´esapparaissent`al´echellenanometrique.Lensembledespropri´et´esphysiquesest ´ alorsre´giparlesconditionsauxlimitesdusyst`emequisemanifestentparunequan-ticationdel´ieetunediscr´etisationdelespacer´eciproque.Lar´ealisation,atome energ paratomedenanostructuresisol´eescommelesc´ele`brescorralsquantiques[3]permetpar exempledeproduiredessystemesmod`elespourle´tudedeceseetsdequantication.Si ` lestechniquesdesondeslocalestellesqueleSTMpermettentdexplorerlespropri´et´es de tels objets isol´es sur des surfaces, il en est diff´eremment des sondes qui moyennent spatialementsurunesurfacemacroscopique,commeparexemplelaphotoe´missionou lestechniquesoptiques.Le´tudedunecollectiondobjetsdetaillenanome´triquen´eces-sitedncunet`demaˆıtrisedelhomog´en´eite´detaille`al´echellemacroscopique. o res gran
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La dispersion de taille, inh´erente aux m´ecanismes de nucl´eation et de croissance est donc unelimitese´rieusedanscedomaine.Cettedicult´epeuteˆtrecontourn´eeenutilisantdes substratsnanostructur´es,quienimposantdessitespr´ef´erentielsdenucl´eationpermettent delimiterfortementladistributiondetailledesobjetsetlesirre´gularit´esdure´seaude nanostructures.Notretravailsesituedanslecadredelar´ealisationdere´seauxdenano-structuresarticiellesconstitue´sdunecollectiondobjetspr´esentantunefaibledispersion detailleetdeforme.Audel`adele´tudedespropri´ete´se´lectroniquesdunecollectionde Ndineejstbostejbori´et´essauxpropevdsceseocllceitsnoussouquti,nesere´e´ssemmotnis eninteractionetnotammentauxeetsdep´eriodicite´surlespropri´ete´s´electroniquesdes ´etatsdeShockleysurlessurfacesdensesdesm´etauxnobles. Cettee´tudesorganisedoncdelamani`eresuivante:unpremierchapitred´ecrirarapi-dement les principes physiques des techniques de spectroscopie utilis´ees principalement au coursdecetteth`ese,cesta`direlaspectroscopie`aeettunnel(STS)etlaphoto´emission ´eslueenangle(ARPES).Danscemˆemechapitrenousd´ecrironslesprincipalespropri´ete´s r o dese´tatse´lectroniquesdesurfacequisontaucœurdecetravail. Lesproprie´te´s´electroniquesdessurfacesvicinalesreconstruitesdAu(111)etenparti-culierlinuencedelareconstructionsurles´electronsdel´etatdesurfaceserontpr´esent´ees danslechapitre2.Nousmontreronsainsileseetsspectroscopiquesassoci´esa`ladirac-tion de Bragg des ´electrons sur ce potentiel superp´eriodique. Nous d´ecrirons de plus une me´thodenovatricebas´eesurdesmesures`alafoisdephoto´emissionetdespectroscopie tunnel pour reconstruire ce potentiel ´electronique. Apr`esuneintroductiondanslechapitre3delacroissancesurlessurfacesetenpar-ticulierdesme´canismesli´esa`lauto-organisation,nouspr´esenteronsle´tudedelacrois-sance de l’argent `a basse t ´ ture sur les surface vicinales reconstruites d’Au(788) et empera d’Au(23 23 21). Nous montrerons ainsi que l’on peut obtenir sur ces surfaces naturellement texture´esunre´seauauto-organis´edenanostructuresdargentquipr´esente`alafoisuntr`es bonordre`alonguedistanceetunetre`sfaibledispersionsurlatailledesıˆlots. Cettee´tudesetermineraparlapr´esentationdanslechapitre4ducomportementde l´etatdeShockleydanslesr´eseauxordonne´sdenanostructuresdeCo,deCuetdAg.Nous montreronsquilestalorspossibledestructurerlespropri´ete´s´electroniquesdelasurface demani`erehomog`enesurlensembledelasurface.Enfonctiondelanaturechimique des nanostructures, de la vicinalit´e du substrat et/ou du taux de couverture, il nous sera possibledecontrˆolerdansunecertainemesurel´energiedesmaximadeladensit´ed´etats localedelasurfaceinduitsparlesuperpotentielassoci´eaure´seaudenanostructures.Nous montrerons ainsi que nous sommes capable de cr´eer sur l’ensemble de la surface, un r´eseau ordonne´depicsdedensit´ede´tatsdelasurfacedontonpeutenchoisirl´energie.Cette possibilit´esav`ereinte´ressantepourlar´ealisationdanslavenirdesyst`emespluscomplexes de´die´sparexemple`aling´enierie´electronique,catalytiqueoumol´eculaire.
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