Etude par STM des états d’hybridation pd induits par un atome de Cr inséré dans la surface de GaAs(110)

STM study of hybridization states pd induced by a Cr atom inserted in the GaAs(110) surface

• Auteur / Autrice : Khalifa Badiane
• Direction : Guillemin Rodary, Jean-Christophe Girard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 22/11/2017
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Repain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillemin Rodary, Jean-Christophe Girard, Vincent Repain, Laurent Limot, Bruno Grandidier, Damien Riedel, Muriel Sicot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Limot, Bruno Grandidier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chrome

Microscopie à effet tunnel

Arséniure de gallium

Propriétés magnétiques

Atomes

Propriétés électroniques

Métaux de transition

Chrome

Semiconducteurs à l'arséniure de gallium

Semiconducteurs

Spectroscopie tunnel

Mots clés libres

STM

STS

Semi-conducteur

GaAs(110)

Atomes magnétiques

Chrome

Manipulation atomique

Propriétés électroniques

STM

STS

Semiconductor

GaAs(110)

Magnetic atoms

Chromium

Atom manipulation

Electronic properties

Résumé

Dans cette thèse nous explorons, par microscopie par effet tunnel (STM), les effets de surface et du nombre de coordination sur les propriétés électroniques d’un atome de métal de transition occupant un site cationique dans la surface de GaAs(110). Par une méthode de dépôt in situ, nous avons déposé des adatomes de Cr sur des faces clivées de GaAs(110) avec des taux de couvertures très inférieurs à une monocouche. Et en appliquant des rampes de tensions proches de quelques adatomes magnétiques cibles à l’aide de la pointe du STM, nous les avons manipulés et substitués par des atomes de Ga dans les deux premières couches de la surface de GaAs(110). Obtenant ainsi des atomes magnétiques ayants des environnements atomiques différents, c’est-à-dire des adatomes de Cr, des atomes de Cr formant trois liaisons avec trois atomes d’As voisins (Cr en première couche) et des atomes de Cr formant quatre liaisons avec quatre atomes d’As voisins (Cr en deuxième couche). Pour étudier les propriétés électroniques de ces atomes de transition en fonction de leur position dans la surface de GaAs(110), nous avons réalisé sur eux des imageries STM à différents signes de tension ainsi que des mesures de spectroscopie par effet tunnel (STS). Ils ont montré des formes topographiques ayant des symétries miroirs différentes et ont révélé des nombres de pics de STS différents dans le gap de la surface de GaAs(110) selon leur site atomique. Des calculs de densité d’états électroniques et des simulations d’images STM ont été effectués, en collaboration, sur des atomes de Cr occupant des sites cationiques dans le GaAs massif et dans les cinq premières couches de la surface de GaAs(110) en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Des accords entre les calculs théoriques et nos résultats expérimentaux nous ont permis de montrer (i) que les pics de STS mesurés sur les atomes de Cr correspondent à des pics de densité d’états électroniques provenant d’une hybridation entre les états à caractères d’orbitales d du Cr et les états à caractères d’orbitales p de leurs voisins d’atomes d’As et de Ga ; (ii) que nos mesures de STS sur les atomes de Cr dans les deux premières couches de surface sont affectés par la brisure de symétrie à la surface de GaAs(110); (iii) qu’il se produit une levée de dégénérescence de certains états induits dans le gap de GaAs(110) lorsqu’un atome de Cr passe de la première vers la deuxième couche de surface ; (iv) et que les images STM topographiques réalisées à différents signes de tension sur des atomes de Cr insérés dans les deux premières couches de la surface correspondent à des fonctions d’ondes d’états d’hybridations pd spécifiques

In this thesis, we investigate by scanning tunneling microscopy (STM) the effects of surface and coordination on the electronic properties of a transition metal atom occupying a cationic site in the GaAs(110) surface.By an in situ deposition method, we deposited Cr adatoms on cleaved GaAs(110) surfaces with coverage rates lower than a monolayer. And by applying voltage pulses close to a few target magnetic adatoms using the STM tip, we have manipulated them and substituted them with Ga atoms in the two first layers of the GaAs(110) surface. Thus obtaining magnetic atoms having different atomic environments, i.e. Cr adatoms, Cr atoms forming three bonds with three neighboring As atoms (Cr in the first layer) and Cr atoms forming four bonds with four neighboring As atoms (Cr in the second layer).To study the electronic properties of these transition atoms as a function of their position in the GaAs surface (110), we have realized on them STM imagery with different voltage bias as well as scanning tunneling spectroscopy (STS). They showed topographic forms with different mirror symmetries and revealed different numbers of STS peaks in the gap of the GaAs surface (110) according to their atomic site.By collaboration, density of states (DOS) calculations and simulations of STM images were carried out on Cr atoms occupying cationic sites in the GaAs bulk and in the five first layers of the GaAs surface (110) using the density functional theory (DFT). Agreements between the theoretical calculations and our experimental results have allowed us to show (i) that the measured STS peaks on the Cr atoms correspond to peaks of DOS resulting from an hybridization between the d states of Cr and the p states of their neighbors atoms of As and Ga ; (ii) that our STS measurements on the Cr atoms in the two first layers are affected by the symmetry breaking at the GaAs(110) surface; (iii) that a splitting of some induced states in the GaAs gap (110) occurs when a Cr atom passes from the first to the second surface layer; (iv) and that the measured topographic STM images on Cr atoms inserted in the first two layers of the surface correspond to wave functions of specific pd hybridization states