Croissance et structure à l'échelle atomique d'un nouveau matériau cristallin bidimensionnel à base de silicium et d'oxygène

Growth and atomic structure of a novel crystalline two-dimensional material based on silicon and oxygen

• Auteur / Autrice : Shashank Mathur
• Direction : Johann Coraux, Pascal Pochet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 16/09/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Denis Buttard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Muriel Sicot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Müller, Florian Banhart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfaces (physique)

Nanosilicium

Mots clés libres

Oxyde de silicium ultra-Mince

Graphène

Matériaux bidimensionels

Science des surfaces

Ultra-Thin silicon oxide

Graphene

Two-Dimensional materials

Surface science

Résumé

L'oxyde de silicium est un composé très largement abondant qui existe sous différentes phases, cristallines ou amorphes, qui se présentent sous la forme de structures poreuses ou de films minces. Il s'agit d'un diélectrique traditionnel pour la microélectronique et d'un support de choix pour des nanoparticules dans des systèmes catalytiques. Sa structure, amorphe ou tridimensionnelle et complexe, rend difficile la compréhension des propriétés jusqu'aux échelles les plus élémentaires. Les films utra-minces épitaxiés, parfois nommés « silice bidimensionelle » se prêtent au contraire à des caractérisation fines de la structure et des propriétés.Cette thèse avait pour objectif de préparer une telle phase d'oxide de silicium. A l'aide de sondes de sciences des surfaces, la microscopie à effet tunnel (STM), la diffraction d'électrons rapides en réflexion (RHEED), dont les analyses ont été confrontées aux résultats de calculs en théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), la structure de cette phase à pu être résolue jusqu'à l'échelle atomique. Nous avons mis en évidence l'arrangement hexagonal de tétraèdres de [SiO4], chimisorbés sur la surface (0001) du ruthenium en des sites spécifiques. Une phase d'oxygène diluée, reconstruite sur le Ru(0001), a été observée, qui coexiste avec l'oxide de silicium.La croissance de l'oxyde de silicium, a également été étudiée, par un suivi in operando, en temps réel pendant la croissance, par RHEED. Une évolution marquée de taille de domaines et/ou de l'accumulation et de la relaxation de déformations a été observée alors que l'oxyde de silicium crystallise. Un mécanisme de croissance a été proposé sur la base de ces observations, selon lequel les espèces chimiques à la surface se réorganisent par des déplacements latéraux élémentaires. Ce mécanisme s'accompagne de la formation, inévitable, de lignes de défauts uni-dimensionnelles, dont la structure a été déterminée à l'échelle atomique par STM.

Silicon oxide is a widely abundant compound existing in various forms from amorphous to crystalline, bulk to porous and thin films. It is a common dielectric in microelectronics and widely used host for nanoparticles in heterogenous catalysis. Its amorphous nature and the ill-defined complex three dimensional structure is a hurdle to the understanding of its properties down to the smallest scales. Resorting to epitaxially grown ultra-thin phase (also called a two-dimensional material) can help overcome these issues and provide clear-cut information regarding the structure and properties of the material.In this thesis, studies were aimed at growing this promising novel phase of silicon oxide. Using surface science tools, including scanning tunelling microscopy (STM) and reflection high energy electron diffraction (RHEED) supported by density functional theory calculations, the atomic structure was resolved to high resolution. The monolayer was found to have a hexagonal arrangement of the [SiO4] tetrahedra chemisorbed on the surface of Ru(0001) into specific sites. This lattice of monolayer silicon oxide was also found to coexist with an oxygen reconstruction of the bare Ru(0001) inside each silicon oxide cell.The growth of this monolayer was monitored in real-time by in operando RHEED studies. These experiments provided with insights the domain size evolution and the build up/release of strain field during the growth that. Based on the experimental observations, a growth mechanism leading to the formation of monolayer silicon oxide could be proposed in terms of geometrical translations of the atomic species on the surface of Ru(0001) support. This mechanism results in unavoidable formation of one-dimensional line-defects that were precisely resolved by the STM.