Étude par STM et NC-AFM des mécanismes de charge de molécules individuelles sur substrats isolants

Study by STM and NC-AFM of the charge mechanisms of molecules deposited on insulating substrates

• Auteur / Autrice : Thibault Ardhuin
• Direction : Sébastien Gauthier, Olivier Guillermet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano-physique, nano-composants, nano-mesures
• Date : Soutenance le 24/09/2018
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Molécule unique

Microscopie à force atomique

Surfaces (physique)

Mots clés libres

Physique des surfaces

STM

NC-AFM

Charge

Molécule

Résumé

Ces dernières années sont apparues de nouvelles techniques permettant le contrôle de la charge de nano-objets individuels (atome, molécule, agrégat métallique ou semi-conducteur, ...) déposés sur substrats isolants. Cet aboutissement a été rendu possible par le perfectionnement des méthodes de microscopie à effet tunnel (STM) et à force atomique (AFM). En combinant ces outils, les précurseurs ont réussi à maîtriser l'état de charge d'un atome d'or déposé sur une bicouche de NaCl(001) sur substrat Cu(111). Par la suite, ce type de manipulation a été étendu à des systèmes moléculaires notamment au CEMES avec Cu(dbm)2. Ce sujet s'inscrit dans la continuité de ces études. L'objectif était d'analyser l'impact de l'augmentation de l'épaisseur du film isolant sur les mécanismes de charge. Cette problématique requière une quantification de l'état de charge du système ainsi qu'une mesure de l'épaisseur d'isolant. Dans ce travail, nous avons pu étudier des films de KBr et NaCl déposés sur des surfaces de Cu(111) et Ag(111). Pour ces études, que ce soit en courant tunnel (STM) ou en gradient de force (NC-AFM), le contrôle de l'état de pointe est essentiel. Lorsque l'on travaille sur substrat isolant, la pointe a tendance à collecter des contaminants qui en changent les propriétés électroniques. Or, pour charger un système de manière reproductible, il nous faut impérativement contrôler la métallicité de l'apex. Cette maîtrise passe par une re-préparation fréquente de la pointe sur une surface métallique, difficile à trouver dans le cas d'un film épais. Pour pallier à cette rareté, nous avons mis en place un masque de dépôt permettant un contrôle du gradient de l'épaisseur du film isolant tout en préservant des zones de métal libre. Cela nous a permis de réaliser nos mesures avec un état de pointe mieux contrôlé. L'instabilité de l'état de pointe nous a également conduit à effectuer des spectroscopies à courant régulé de type Z(V). En contrôlant ce courant, il est alors possible de minimiser l'interaction entre la pointe et le film isolant, préservant ainsi plus longtemps la pointe. Ces spectroscopies Z(V) permettent également d'augmenter la tension de mesure jusqu'à atteindre le régime d'émission de champ. Nous avons observé par cette méthode une variation de la modulation de l'amplitude des résonances d'émission de champ (FER) en fonction de l'épaisseur du film isolant. Une modélisation numérique par différences finies a été développée afin de comprendre ce phénomène. [..]

In recent years, new techniques have emerged to control the charge of individual nano-objects (atom, molecule, metal aggregate or semiconductor, etc.) deposited on insulating substrates. This achievement has been made possible by the refinement of Tunneling Microscopy (STM) and Atomic Force (AFM) methods. By combining these tools, the precursors succeeded in controlling the state of charge of a gold atom deposited on a NaCl (001) bilayer on a Cu (111) substrate. Subsequently, this type of manipulation has been extended to molecular systems, in particular at the CEMES with Cu(dbm)2. This subject is part of the continuity of these studies. The objective was to analyze the impact of the increase of the thickness of the insulating film on the charge mechanisms. This problem requires a quantification of the state of the system charge as well as a measurement of the insulation thickness. In this work, we have been able to study KBr and NaCl films deposited on Cu(111) and Ag(111) surfaces. For these studies, whether in tunnel current (STM) or force gradient (NC-AFM), the control of the tip state is essential. When working on an insulating substrate, the tip tends to collect contaminants that change their electronic properties. However, to charge a system in a reproducible way, we must imperatively control the metallicity of the apex. This control requires a frequent re-preparation of the tip on a metal surface, difficult to find in the case of a thick film. To overcome this scarcity, we have implemented a deposition mask allowing a control of the gradient of the thickness of the insulating film while preserving clean metal zones. This allowed us to carry out our measurements with a better controlled state of the tip. The instability of the tip state has also led us to perform Z (V) regulated current spectroscopies. By controlling this current, it is then possible to minimize the interaction between the tip and the insulating film, thus making the tip last longer. These Z (V) spectroscopies also make it possible to increase the measurement voltage until reaching the field emission regime. We have observed a variation of the modulation of the field emission resonances (FER) amplitude as a function of the thickness of the insulating film. [...]