Thèmes de recherche

Contacts : V. Esualov (LCAM), O. Grizzi (CNEA)

Le projet de cet axe se décline selon les trois axes suivants :

1) étude de couches minces métalliques et organiques (V.A. Esaulov, J. Fuhr, O. Grizzi, M.L. Martiarena, E.A. Sánchez, E.Gayone)

2) développement de la technique GIFAD (H. Khemliche, P. Roncin, F. Finocchi A. Borissov, O. Grizzi, E.A. Sánchez, E.Gayone)

3) étude théorique d’effets de polarité de bord de nano-objets (Ana Maria Llois ; Francisco Güller, Claudine Noguera, Jacek Goniakowski)

Dans le thème 2, une des nouveautés tient à la mise en service du dispositif GIFAD à Bariloche et à l’accroissement des efforts théoriques qui maintenant incluent deux nouveaux chercheurs (A. Borissov à l’ISMO, Orsay, et MS Gravielle à IAFE). Le thème 3, dont l’esquisse remonte juste à l’année écoulée, peut être considéré comme entièrement nouveau. Il repose sur l’accrétion d’un nouveau participant français (J. Goniakowski de l’INSP), sur la contribution scientifique de C. Noguera (qui jusqu’ici n’a joué le rôle que de directrice du LIFAN) et sur la thèse en co-direction de F. Güller. Outre ces trois thèmes, la possibilité d’un partage de compétences entre l’équipe argentine de Bariloche et celle de Ian Vickridge à l’INSP, autour des équipements RBS/PIXE est en cours de réflexion.

1) étude de couches minces métalliques et organiques :

Les travaux de recherches envisagés concernent l’autoassemblage de couches de SAM (self assembled monolayer) de dithiols et de PTDCI. Précédemment l’autoassemblage de dithiols sur or et InP, et de PTCDI sur Ag et Si a été effectué sous vide par évaporation. Un grand nombre de techniques complémentaires ont été utilisées, telles que spectroscopie infrarouge, spectroscopie de masse par temps de vol, microscopie tunnel, rayonnement synchrotron. Des travaux théoriques complémentaires par DFT ont été réalisés. Dans le proche avenir nous orienterons ces travaux de recherche vers l’étude sur des surfaces plus réactives qui doivent être étudiés dans un environnement ultra-vide. Nous étudierons ainsi l’assemblage de dithiols par évaporation sous vide sur des surfaces de Ag, Pd et Si avec l’objectif de réaliser des couches de molécules “debout” i.e. présentant des groupements –SH à l’interface SAM-air. Ce travail sera effectué en utilisant la technique de diffusion d’ions par temps de vol, microscopie tunnel et des calculs DFT. La croissance de films de plus grandes molécules comme le PTCDI sera étudiée sur des surfaces telles que celle du Cu. La mobilité de ces molécules sur le Cu pourrait être plus réduite que sur Ag et les caractéristiques de l’autoassemblage pourraient être différentes. Nous utiliserons la microscopie tunnel pour révéler ces changements ainsi que la diffusion d’ion et spectroscopies d’électrons. Pendant la période précédente nous avons développé en collaboration un analyseur d’énergie d’électrons pour la spectroscopie d’électrons de haute résolution (HREELS). Afin de permettre des études en HREELS nous venons d’ajouter un monochromateur d’électrons. Nous pourrons ainsi effectuer des études en HREELS sur les couches moléculaires. Par ailleurs nous continuerons nos études de transfert d’électrons lors de l’interaction d’ions Li, Na et K avec des agrégats métalliques supportés sur différents substrats afin de mettre en évidence les effets de taille et le rôle du substrat. Cette étude sera effectuée en utilisant nos appareillages de diffusion d’ion et une étude théorique est envisagée en continuation de celle menée précédemment sur des substrats métalliques massifs.

2) développement de la technique GIFAD :

Expériences : En 2011, l’équipe de Bariloche a commencé à mettre en œuvre un nouveau dispositif de diffraction d’atomes rapides en incidence rasante (acronyme GIFAD). Ce système comprend un canon à ions de 5 keV, une ligne de faisceau avec pulseur et une cellule de neutralisation ainsi qu’une chambre ultra-vide pour la préparation et la manipulation des échantillons. Celle-ci est également équipée d’un détecteur sensible en position (avec galettes de microcanaux et écran phosphore) apporté par le groupe d’Orsay ; un channeltron mobile complète le système de détection. Afin d’effectuer des mesures de masse par temps de vol (DRS), un autre détecteur est placé à 42.3° vers l’avant. Une fois les essais de vide réalisés, nous chercherons les meilleures conditions (angle et énergie d’incidence) de fonctionnement simultané de la diffraction d’atomes et les mesures par temps de vol, sachant que l’angle optimum pour la diffraction (de l’ordre de 1°) n’est pas le mieux adapté à l’analyse chimique par temps de vol. Le dispositif sera tout d’abord caractérisé sur des échantillons d’isolants ioniques, de type LiF(001) ; avant d’explorer des systèmes plus complexes tels que les semiconducteurs nus et recouverts de couches organiques. Un lien avec les théoriciens de ce réseau impliqués dans les calculs de la diffraction d’atomes rapides permettra d’interpréter les images GIFAD.

Axe théorique : L’application de la méthode GIFAD aux surfaces montrant des reconstructions complexes exige une compréhension profonde des processus dynamiques qui se produisent pendant la diffraction des atomes dans les conditions typiques GIFAD (incidence rasante, énergie élevée de l’atome incident, faible transfert d’énergie dans la direction normale). En outre, il serait hautement souhaitable de calculer les spectres de diffraction pour des structures données d’une manière rapide et fiable afin de les comparer à des données expérimentales. Cela ouvrirait la voie à la prédiction de la structure atomique de surface à partir des diagrammes de diffraction mesurés. Pour cet objectif, un effort théorique conjoint entre le groupe d’Orsay (A. Borissov, A. Zugarramurdi), celui de Paris (F. Finocchi), et le nouveau partenaire argentin à IAFE (MS Gravielle) est actuellement à l’œuvre. La surface d’énergie potentielle (PES) atome-surface est calculée à partir des premiers principes, par la DFT. La DFT-PES est ensuite adaptée sur une grille spatiale plus fine par le biais de potentiels de paires. Plusieurs approches théoriques, comme celle semi-classique, basée sur l’approximation eikonale, ou les méthodes à paquet d’ondes, sont ensuite utilisées pour décrire les processus dynamiques lors de la diffusion des atomes sur la surface et pour calculer les diagrammes de diffraction. Les premières applications sur des surfaces reconstruites de semi-conducteurs, comme ZnSe (001) et GaAs (001), seront disponibles dans l’année en cours.

3) étude théorique d’effets de polarité de bord de nano-objets :

Les dichalcogénures de métaux de transition ont un spectre de propriétés électroniques et structurales très riche, principalement lié à leur caractère lamellaire. En effet, ils sont constitué de tricouches de type XTX, où X représente S ou Se et T est un métal de transition. Dans le solide, l’empilement de ces couches est faiblement tenu par des forces de Van der Waals, conférant un caractère très bi-dimensionnel au gaz d’électrons des couches. Certains composés montrent des instabilités supraconductrices ou d’onde de densité de charge ; d’autres ont attiré une attention particulière de par leur utilité dans l’industrie du pétrole comme catalyseurs et lubrifiants. L’objectif de ce nouveau thème dans le cadre du LIFAN tient à la mise en évidence d’effets a priori inattendus dans des nanostructures de ces composés. Certaines ont été synthétisées sur des surfaces métalliques par sulfuration d’atomes métalliques ; d’autres ont été découpées dans des tricouches obtenues par simple clivage avec une bande adhésive. Les expériences STM ou de réactivité montrent une contribution anormalement forte des bords de tels îlots, que nous associons à des effets de polarité de bord. En effet, en analogie avec l’instabilité bien connue des surfaces polaires d’oxydes, sur lesquelles l’équipe théorique française a une longue expérience, certains rubans ou îlots de dichalcogénures de métaux de transition possèdent un moment dipolaire qui croît avec leur taille et dont la suppression nécessite des effets de compensation spécifiques. C’est la prédiction et la compréhension fondamentale de tels effets dans les dichalcogénures de métaux de transition qui fait l’objet de ce projet et constituera une partie de la thèse de F. Güller. Par rapport aux objets qui ont pu être étudiés jusque-là, l’existence de métallicité dans certains de ces composés doit conférer à la polarité des manifestations tout à fait particulières qui représentent un intérêt supplémentaire de l’étude.