Growth of metallic nanowires assisted with a tip. Study of their physical properties.

Croissance de nanofils métalliques en présence d'une pointe et étude des propriétés physiques associées

Stéphanie Baud (1)

1 LPM - Laboratoire de Physique Moléculaire (UMR 6624)

This PhD concerns the growth and the study of physical properties of nanometric structures that can be obtained on stepped surfaces. Previous experimental and theoretical studies showed that with self-organized methods it is possible to obtain a large number of nanostructures, but in general the quality of the nanowires depends strongly on the preparation and on the deposition statistic. The original idea of this work consist in assisting the growth using a STM tip. In order to characterize the specific properties of the structures, it is necessary to describe the substrate and its interactions with the adsorbates very precisely. The DFT code FLEUR is used to characterize energetically and structurally different platinum surfaces. In the continuity of this work, the determination of magnetic properties associated with Co chain (free or supported on vicinal Pt surfaces) is investigated. In the first part, a study related to growth phenomenon conducted numerically with a Kinetic Monte Carlo (KMC) model is presented. In the case of the Xe/Cu(110) system, we show that the presence of a fixed STM tip, depending on its height relative to the substrate can locally modify the atomic diffusion and allow the measure of diffusion coefficients related to the motions of the atoms. In a more general frame, it was shown that it is possible to improve the profile of nanowire deposited on vicinal surfaces using a moving STM tip in a repulsive or in an attractive mode. The perfection of the wires depends on the number, the type of the sweepings and also on the considerered temperature range. Then, the electronic properties of platinum surfaces were investigated. After the study of the three flat platinum surfaces namely (111), (100) and (110) surfaces, we focused on the (233) vicinal surface. This one presents the same geometry as the steps of the experimental Pt(997) surfaces. Surface energies, step energies, local density of states or bandstructures have been calculated. The calculations of STM pictures were done in order to interpret the STM pictures of the Pt(997) surface obtained at the EPFL (Lausanne, team of K. Kern and H. Brune). Neither the relaxation (internal) nor the local density of states near the step edge can explain the protusion observed at this location on some of the experimental images. But, this does not mean that our calculations are wrong. The protusion can be due to the experimental set up which does not follow fast enough in time the evolution of the LDOS. A second application of the calculation of STM pictures is relative to the adsorption of Ir atoms on a Ir(111) substrate. FLAPW calculations and the experiments of Thomas Michely's team show that the tip can distinguish unequivocally two different stackings (hcp or fcc) of comparable energie but with different density of states around the Fermi level. Finally, the study of the magnetic properties of Co nanowires unsupported or adsorbed at the foot of Pt step edges is approached. For the unsupported system, the magnetic moment of the cobalt atom decreases from 3 uB in the case of an isolated atom to 2.33 uB for the chain, 2.09 uB for the monolayer and 1.65 uB in the bulk. Calculations were also conducted on periodic arrays of Co wires supported on Pt(233) and eventually relaxed systems. It is shown that the influence of the substrate on the magnetic moment of the Co atom is not very big. On the other hand, a strong quenching of the orbital moments is observed. The magnetic and orbitals moments are equal respectively to 2.105 uB and [0.058-0.091] uB depending on the orientation of the spin quantization axis. The determination of the magnetic anisotropy shows that the easy axis is along the chain direction when the system is not relaxed. Only the relaxation can explain the fact that the easy axis goes out of the chain axis.

Le travail de cette thèse concerne la croissance et l'étude des propriétés physiques de structures nanométriques susceptibles de se former sur des surfaces à marches. De précédentes études tant expérimentales que théoriques ont montré que même si les méthodes de croissances auto organisées permettent d'obtenir un grand nombre de nanostructures, la qualité des fils est très dépendante des conditions de préparation et de la statistique du dépôt. L'idée originale de ce travail consiste à assister la croissance en utilisant une pointe de microscope STM. Afin de caractériser les propriétés spécifiques des structures alors formées, il convient d'avoir préalablement décrit de façon exhaustive le substrat et son interaction avec les atomes adsorbés. Le code de calcul DFT FLEUR est utilisé afin de caractériser diverses surfaces de platine tant du point de vue structurel qu'énergétique. Dans le prolongement de ce travail, nous abordons également la caractérisation de propriétés magnétiques de chaines de cobalt non supportées ou bien déposées sur des surfaces de platine vicinales. Dans la première partie, nous présentons une étude concernant des phénomènes de croissance menée numériquement à l'aide d'un modèle KMC (Kinetic Monte Carlo). Pour le système Xe/Cu(110), nous montrons que la présence d'une pointe STM fixe peut, suivant la hauteur à laquelle elle est placée au dessus de la surface modifier localement la diffusion des adatomes et également permettre la mesure des coefficients de diffusion caractéristiques du déplacement des atomes. Nous nous sommes ensuite placés dans un cadre plus général et nous avons montré qu'il est possible d'améliorer les profils de nanofils déposés sur des surfaces vicinales à l'aide d'une pointe STM mobile utilisée en mode répulsif ou attractif. La perfection du fil est fonction du nombre et du type de balayages effectués, ainsi que de l'intervalle de température considéré. Nous nous sommes ensuite intéressés aux propriétés électroniques des surfaces de platine. Après avoir considéré en premier lieu les trois surfaces plates classiques (111), (100) et (110) notre attention s'est portée sur une surface vicinale (233) présentant la même géométrie de marche que la surface expérimentale (997) mais possédant une largeur de terrasses inférieure. Nous avons mené des calculs d'énergie de surface ou de marche, de densité d'états, ou encore de structures de bande. Les calculs des images STM ont été réalisés pour interpréter les images STM de la surface Pt(997) obtenues à l'EPFL (Lausanne, équipe de K. Kern et H. Brune). Ni la relaxation (vers l'intérieur), ni la densité d'état locale au voisinage de la marche ne permettent de comprendre la protubérance observée à cet endroit sur certains clichés expérimentaux. Ceci ne veut pas pour autant dire que nos calculs sont erronés. La protubérance observée peut être due à une erreur expérimentale et notamment au temps de réponse de la pointe. Une deuxième application du calcul d'images STM est relative à l'adsorption d'atomes d'Iridium sur un substrat (111) de même espèce. Les calculs FLAPW et les expériences du groupe de T. Michely (RWTH, Aachen) montrent sans ambiguïté que la pointe peut distinguer deux types d'empilements (hcp et fcc) d'énergie comparable mais présentant des densités d'états différentes au niveau de Fermi. Pour finir, l'étude des propriétés magnétiques de nanofils de cobalt non supportés ou adsorbés au pied des marches de platine est abordée. Pour le système non supporté, le moment magnétique passe de 3 uB pour l'atome de cobalt isolé, à 2.33 uB pour la chaîne, à 2.09 uB pour la monocouche et 1.65 uB pour le volume. Le calcul a ensuite été fait pour une succession périodique de fils de cobalt supportés par le platine (233) et relaxés. Les calculs montrent que le substrat a peu d'influence sur le moment de spin. Par contre, on observe un blocage fort du moment magnétique orbital par le champ cristallin créé par les atomes de platine. Les moments magnétiques de spin et orbital sont égaux respectivement à 2.105 uB et [0.058-0.091]uB selon la direction de l'aimantation. Le calcul de l'anisotropie magnétique semble montrer que l'axe de facile aimantation est dirigé selon les fils lorsque le système n'est pas relaxé. Seule la relaxation permet d'expliquer le fait que l'axe de facile aimantation sort de la chaîne.

Mots clés: Growth; Kinetic Monte Carlo; Electronic structure; STM tip; Magnetic properties

Mots clés: Pointe STM; Propriétés magnétiques; Croissance; DFT; ab initio; Monte Carlo cinétique; Structure électronique

Domaines: Physique [physics]

Stéphanie Baud. Croissance de nanofils métalliques en présence d'une pointe et étude des propriétés physiques associées. Physique [physics]. Université de Franche-Comté, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00010835⟩