Morphology of vicinal surfaces of pure metals and alloys: roughness and stability. Experiments and modelling
Morphologie de surfaces vicinales de métaux purs et d’alliages : stabilité et rugosité. Expériences et modélisations
Résumé
For technological applications in relation to the use of surface properties, the understanding and control of roughness and instabilities phenomena for pure metal and alloy crystal surfaces is a prerequisite. For that purpose, three surfaces have been experimentally investigated: Cu(1,1,5), Cu83Pd17(1,1,5) and Cu3Au(1,1,11).
The Cu(1,1,5) surface has been studied by variable temperature STM (Scanning Tunneling Microscopy) (300 K-365 K). For all the explored temperature range, the surface is stable and not rough. Comparison of experimental results with Monte Carlo simulations allowed us to determine the strength of the step-step A/L^2 elastic repulsion A=100 K and the formation energy of kinks at step edges Ek=1430 K. The determination of the roughening temperature for Cu(1,1,5) lead us to extend this result by calculating the phase diagram of vicinal surfaces in the parameter space (A, Ek and miscut). We have determine the complete (A>0, A<0) phase diagram of a system of interacting steps by the cylinder method (transfer matrix method with periodic limit conditions).
As for alloys, the Cu83Pd17(1,1,5) surface has been studied by STM (300 K). This face exhibits a single step structure in contrast with the paired-step structure of the Cu83Pd17(1,1,11) surface and in agreement with a theoretical prediction.
The Cu3Au(1,1,11) vicinal surface has been studied by variable temperature STM (300 K - 700 K) and by helium diffraction. We find that steps are paired below the critical temperature for chemical disordering TC (=663 K) while above TC, the surface shows a facetted single-step structure. These findings illustrate the varied manifestation of the influence of chemical order on surface morphology.
Pour les applications technologiques impliquant des propriétés de surface, il est nécessaire de comprendre et de maîtriser les phénomènes de rugosité et d'instabilité de surface des cristaux de métaux purs et d'alliages. Dans ce but, trois surfaces ont été étudiées expérimentalement : Cu(1,1,5), Cu83Pd17(1,1,5) et Cu3Au(1,1,11).
La face Cu(1,1,5) a été étudiée par STM (Scanning Tunneling Microscopy) à température variable entre 300 K et 365 K. Nous avons observé, dans toute la gamme de température explorée, que cette surface est stable et non rugueuse. La comparaison des résultats expérimentaux avec des simulations Monte Carlo a permis de déterminer la constante d'interaction entre marches A=100 K (interaction élastique entre marches en A/L^2) et l'énergie de formation de crans en bord de marches Ek=1430 K. La détermination de la température de transition rugueuse du Cu(1,1,5) nous a conduit à étendre ce résultat en calculant le diagramme de phases des faces vicinales dans l'espace des paramètres (A, Ek et angle de coupe). Ce diagramme de phases complet (A>0, A<0) d'un système de marches en interaction a été obtenu par la méthode du cylindre (méthode de la matrice de transfert avec conditions aux limites périodiques).
Concernant les alliages, la face Cu83Pd17(1,1,5) a été étudiée par STM à température ambiante. Cette face présente une structure formée de marches simples qui contraste avec la structure en marches appariées de la face Cu83Pd17(1,1,11), en accord avec les prédictions théoriques.
Enfin, la face vicinale de Cu3Au(1,1,11) a été étudiée par STM à température variable (entre 300 K et 700 K) et par diffraction d'hélium. On observe, sur cette surface, que les marches s'apparient sous la température critique TC (=663 K), tandis qu'au-dessus de TC la surface présente une structure marches simples qui facettent. Ces résultats illustrent les multiples manifestations de l'influence de l'ordre chimique sur la morphologie de surface.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)