Contribution à l’étude des propriétés de l’interface métal oxyde GeO/Ru(0001) par STM, XPS/ARPES et SXRD

Contribution to the study of the properties of GeO/Ru(0001) metal/oxide interface by STM, XPS/ARPES and SXRD

• Auteur / Autrice : Thomas Pierron
• Direction : Yannick Fagot-Revurat, Bertrand Kierren
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/09/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Andrieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yannick Fagot-Revurat, Bertrand Kierren, Marie d' Angelo, Yves Garreau, Fabien Cheynis, Sophie Guézo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie d' Angelo, Yves Garreau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces (sciences physiques)

Couches monomoléculaires

Microstructure (physique)

Rayons X -- Diffraction

Microscopie tunnel à balayage

Photoémission

Oxydes

Germanium -- Composés

Silicium -- Composés

Mots clés libres

Propriétés structurales et électroniques

Oxydes ultraminces

Matériaux bidimensionnels

Photoémission

Microscopie à effet tunnel

Diffraction de surface des rayons X

Structural and electronic properties

Ultrathin oxides

Two-Dimensional materials

Photoemission

Scanning tunneling microscopy

Surface X-Ray diffraction

Résumé

Ce manuscrit de thèse est dédié à l’étude des oxydes de silicium (SiO) et de germanium (GeO) sous forme ultramince. Elaborés par épitaxie par jet moléculaire à la surface d’un cristal de ruthénium (0001), ces systèmes peuvent exister sous deux phases stables. La première est constituée d'une monocouche connectée au substrat par des liaisons covalentes formant une interface métal oxyde. La seconde est quant à elle constituée d’une bicouche en interaction faible déconnectée du substrat. La faiblesse des interactions de Van der Waals permet son exfoliation pour l’intégrer dans des hétérostructures fonctionnelles. Dans cette thèse nous étudions la relation entre structure et propriétés électroniques de ces matériaux bidimensionnels (2D) en combinant la microscopie champ proche (STM), la photoémission X et UV résolue en angle (XPS, ARPES), la diffraction X de surface (SXRD) et la modélisation par des méthodes DFT. Une partie de nos mesures (XPS, ARPES et SXRD) ont été obtenues à l'aide du rayonnement synchrotron. Si les propriétés de la bicouche d’oxyde de silicium (SiO) sont bien comprises, la description des propriétés électroniques de l’interface métal-oxyde s'avère plus complexe avec l’impossibilité de réconcilier les calculs emph{ab initio} avec nos mesures ARPES. Pour comprendre l’origine de ce désaccord, nous avons étudié l'interface GeO/Ru(0001) dans le régime de la monocouche. Nos études STM et XPS ont permis de valider le modèle atomique proposé par la DFT, incluant la rotation des liaisons Ge-O-Ge et la présence d'un oxygène interstitiel. Des études structurales complémentaires par SXRD ont permis de valider la relation d'épitaxie proposée par le calcul. Enfin, la structure de bande mesurée se rapproche des prédictions DFT contrairement au SiO même s'il persiste un faible désaccord. Celui-ci peut s'interpréter comme une surestimation de la force de la liaison métal/oxyde par le calcul introduisant une bande interdite au point Gamma et au point K non visibles expérimentalement en ARPES dans le cas de SiO. Des mesures SXRD complémentaires à venir sur SiO permettront d'étayer cette hypothèse.

This thesis manuscript is dedicated to the study of silicon (SiO) and germanium (GeO) oxides in their ultra-thin forms. Developed by molecular beam epitaxy on the surface of a ruthenium (0001) crystal, these systems can exist in two stable phases. The first one is a monolayer connected to the substrate by covalent bonds forming a metal-oxide interface. The second one is a weakly interacting bilayer disconnected from the substrate. The weakness of the Van der Waals interactions allows its exfoliation to integrate it into functional heterostructures. In this thesis we study the relationship between structural and electronic properties of these two-dimensional (2D) materials by combining scanning tunneling microscopy (STM), angle-resolved photoemission (XPS, ARPES), surface X-ray diffraction (SXRD) and modelling by DFT methods. Some of our measurements (XPS, ARPES and SXRD) were obtained using synchrotron radiation. If the properties of the silicon oxide (SiO) bilayer are well understood, the description of the electronic properties of the metal-oxide interface proves to be more complex with the impossibility of reconciling the calculations with our ARPES measurements. To understand the origin of this disagreement, we studied the GeO/Ru(0001) interface in the monolayer regime. Our STM and XPS studies validated the atomic model proposed by DFT, including the rotation of Ge-O-Ge bonds and the presence of an interstitial oxygen. Complementary structural studies by SXRD validated the epitaxial relationship proposed by the calculation. Finally, the measured band structure is close to the DFT predictions, contrary to SiO, even if a small disagreement remains. This can be interpreted as an overestimation of the metal oxide bond strength by the calculation introducing a band gap at the Gamma point and at the K point not experimentally visible in ARPES in the case of SiO. Further SXRD measurements on SiO will support this hypothesis.