Etude des propriétés structurales et spectroscopiques des couches ultra-minces d'alcalins déposées sur Si(111) - B

Investigation of structural and spectroscopic properties of alkali ultra-thin films deposited on Si(111) - B

• Auteur / Autrice : Luis Alfonso Cardenas Arellano
• Direction : Daniel Malterre, Yannick Fagot-Revurat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et ingénierie des matériaux
• Date : Soutenance le 08/01/2010
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IJL - LPM
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Malterre, Guy le Lay, Franck Palmino, Yannick Fagot-Revurat, Anne Lafosse, Amina Taleb
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guy le Lay, Franck Palmino

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux alcalins

Couches minces semiconductrices

Mots clés libres

Surfaces semi-conductrices

Si(111) dopé Bore

Couches minces d'alcalins sur Si(111)

Propriétés structurales

Reconstructions de surface

Spectroscopie de photoémission (ARPES)

Microscopie champ proche (STM)

Diffraction d'électrons lents (LEED)

Transition de Mott

Isolant de Mott

Corrélations électroniques à la surface

Isolant bi-polaronique

Résumé

Les propriétés structurales et électroniques de films ultra-minces d'alcalins (K,Cs) déposés sur un substrat de Si(111)-v3´v3R30:B ont été étudiés par diffraction d'électrons lents (LEED), spectroscopie Auger, microscopie à effet tunnel (STM) et photoemission (ARPES, XPS). Un état de surface de symétrie s-pz a été mis en évidence par photoémission résolue en angle celui-ci présentant un maximum au taux optimal. Le site d'adsorption H3 a été identifié par IV-LEED en accord avec les prédictions théoriques. Nos mesures ARPES mettent en évidence un repliement de la bande de surface, son caractère fortement isolant ainsi qu'une largeur de bande très étroite. Dans le cas des dépôts de Césium, le gap est cependant réduit et il apparaît du poids spectral au niveau de Fermi. Ces résultats sont a priori en accord avec le caractère corrélé de ces états, ceux-ci ayant été définis initialement comme des isolants de Mott. Cependant, nous mettons en évidence dans ce travail une nouvelle reconstruction 2v3´2v3 caractérisée par un quadruplement de la maille de surface et associée à un gain d'énergie des électrons participant à l'état de surface. De plus, la dépendance en température des spectres de photoémission suggèrent un fort élargissement Franck-Condon associé à un fort couplage électron-phonon. L'étude des raies de cœur par photoémission haute résolution sur la ligne CASSIOPEE (synchrotron SOLEIL) nous a permis de mettre en évidence un ordre de charge à la surface pour les deux types de reconstruction observées en LEED. Tous nos résultats expérimentaux indiquent un fort couplage avec le réseau des électrons de l'état de surface induit par les alcalins ce qui n'a jamais été reporté auparavant ni fait l'objet de prédictions. Un scénario basé sur l'établissement d'une onde de densité de charge à la surface dans la limite d'un fort couplage électron-phonon est proposé. IL est proposé que la limite de l'isolant bi-polaronique soit atteinte dans le cas des couches ultra-minces d'alcalins/Si(111) offrant ainsi la possibilité d'étudier le comportement des électrons fortement couplés au réseau en présence de corrélations électroniques sur un réseau triangulaire.

Low energy electron diffraction (LEED), Auger spectroscopy, scanning tunneling microscopy (STM) and angle-resolved photoemission (ARPES) have been used to study ultrathin films of alkali atoms deposited on Si(111)-v3´v3R30:B surface. An alkali-induced surface state of s-pz symmetry has been evidenced by photoemission being maximum close to the saturation coverage of 1/3 monolayer. A quantitative IV-LEED study evidences the H3 alkali adsorption site as predicted by ab initio calculations. High resolution ARPES data presented in this work evidence a band-folding, a large alkali-dependent semi-conducting gap and a narrow bandwidth. The Cs- induced surface band is shown to present a smaller gap together with a non-zero spectral weight at the Fermi level. These results are a priori consistent with the correlated nature of these materials, the Harrison criterion U/W>>1 being fulfilled for these half-filled surface bands. Moreover, a novel 2v3´2v3 lattice and charge ordering has been discovered below 300 K characterized by a quadrupling of the unit cell and a net energy gain for the surface band. In addition, the temperature dependence of the ARPES spectra suggests these materials are characterized by a strong electron-phonon coupling. High resolution core-levels photoemission spectroscopy recorded at the CASSIOPEE beamline (synchrotron SOLEIL) evidence a local charge ordering at surface in both phases. The corresponding band mapping agree well with the 2(v3´v3) symmetry also for both phases. All these experimental results sign a strong interplay between the charge and lattice degrees of freedom which have never been predicted for these semiconducting surfaces. Therefore, a scenario assuming a charge density wave at surface in the strong electron-phonon coupling limit is proposed. As a striking point, the bi-polaronic insulating ground state is proposed to be reached making these alkali/Si(111) semi-conducting surfaces model systems to study polaronic signatures on the physical properties of low dimensional strongly correlated materials.