Surfaces d’alliages métalliques complexes : nanostructures et croissance moléculaire

Surface of complex metallic alloys : nanostructures and molecular growth

• Auteur / Autrice : Firas Abdel Hamid
• Direction : Vincent Fournée, Émilie Gaudry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/11/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Yannick Fagot-Revurat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Fournée, Émilie Gaudry, Christine Goyhenex, Bruno Domenichini, Amandine Bellec
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christine Goyhenex, Bruno Domenichini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfaces (technologie) -- Analyse

Théorie de la fonctionnelle de densité

Autoassemblage

Structure moléculaire

Quasicristaux

Composés intermétalliques

Mots clés libres

Alliages métalliques complexes

Composés cages

Quasicristaux

Auto-assemblage moléculaire

Science de surface

Techniques UHV

Théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT)

Complex metallic alloys

Cage compounds

Quasicrystals

Molecular self-assembly

Surface science

UHV techniques

Density functional theory (DFT)

Résumé

Les alliages métalliques complexes (CMAs) sont des intermétalliques dont la maille élémentaire est caractérisée par un grand nombre d’atomes ainsi qu’une sous-structure en agrégats de haute symétrie. Les quasicristaux et leurs approximants périodiques font partie de cette classe de matériaux. Ici, nous avons étudié la structure atomique et électronique de la surface (100) d’un composé cage Ce3Pd20Si6 qui peut être également considéré comme un CMA. Sa structure est décrite par un assemblage de cages - Pd12Si6 et Pd16 – enfermant les atomes de Ce. La surface est analysée en utilisant des méthodes expérimentales d’analyse sous ultravide comme la photoémission, la diffraction d’électrons et la microscopie à effet tunnel (STM), ainsi que des méthodes de simulations atomistiques basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). On trouve que la surface se forme par troncature du volume en des plans spécifiques qui conservent le sous-réseau de cage de type Pd12Si6, avec des atomes de Pd supplémentaires qui rendent la surface plus compacte. L’analyse de la fonction de localisation électronique et des volumes et charges de Bader montrent que, bien que le système soit clairement métallique, la structure de la surface est influencée par les interactions entre les atomes de Pd et Si formant les cages Pd12Si6. Du fait de la préservation de ces cages, la surface présente une nanostructuration intrinsèque, de périodicité légèrement inférieure au nanomètre. Cette surface est ensuite utilisée comme patron pour essayer de former des films moléculaires auto-organisés. Des premiers résultats sont présentés concernant l’auto-assemblage de C60 et de son dérivé (PTBC) sur différents substrats, Ce3Pd20Si6(100) mais aussi les surfaces d’ordre 5 des phases icosaédriques i-AlCuFe et i-AgInYb ainsi que les surfaces hexagonales simples Cu(111) et Au(111). Des modèles simples sont proposés pour décrire les structures formées par les PTBC sur Cu(111) et Au(111). Les dépôts de C60 sur la surface Ce3Pd20Si6(100) conduit à la formation de deux domaines rotationnels de structure hexagonale très faiblement organisés, alors que PTBC donne des films amorphes. Pour PTBC déposées sur les surfaces quasicristallines, on trouve dans les deux cas que les molécules sont orientées selon les axes de symétrie du substrat à bas taux de couverture. L’accord de symétrie molécules/substrat est essentiel. Lorsque la monocouche est saturée, le film est soit amorphe sur i-AlCuFe soit quasipériodique sur i-AgInYb mais avec beaucoup de désordre.

Complex metallic alloys (CMAs) are intermetallics with a unit cell characterized by a large number of atoms and a substructure of atomic clusters of high symmetry. Quasicrystals and their periodic approximants are part of this class of materials. Here, we have investigated the atomic and electronic structure of the (100) surface of a cage compound Ce3Pd20Si6 which can be also considered as a CMA. The assembly of Pd12Si6 and Pd16 cages in which guest Ce atoms are located describes its structure. The surface is analyzed using experimental methods under ultrahigh vacuum as well as atomistic simulations based on density functional theory (DFT). The surface forms at corrugated planes of the bulk structure that preserve intact the Pd12Si6 cages, with additional Pd surface atoms. It is concluded that despite this Pd-based cage compound being clearly metallic, stronger interactions between Pd and Si atoms on the host cage structure significantly influence its surface structure. Due to the cage preservation, the surface presents an intrinsic nanostructuration with a periodicity slightly less than one nanometer. This surface is further used as a pattern in an attempt to form self-organized molecular films. First results are presented concerning the self-assembly of C60 and its derivative (PTBC) on different substrates, including Ce3Pd20Si6(100) but also 5-fold surfaces of icosahedral phases i-AlCuFe and i-AgInYb and simple Cu (111) and Au (111) surfaces. Simple models are proposed to describe the structures formed by PTBC on Cu (111) and Au (111). C60 deposited on Ce3Pd20Si6(100) leads to the formation of hexagonal nanodomains,while PTBC leads to amorphous films. For PTBC deposited on quasicrystalline surfaces, preferential adsorption occurs at low coverage at 5-fold symmetric sites, dictated by symmetry matching between molecules and substrates. When the monolayer is saturated however, the film is either amorphous on i-AlCuFe or quasiperiodic on i-AgInYb, but with a large amount of disorder.