Étude théorique des surfaces et des interfaces à l'échelle atomique : films ultraminces supportés par des métaux et des intermétalliques

Theoretical investigation of surfaces and interfaces at the atomic scale : ultrathin films supported on metals and intermetallics

• Auteur / Autrice : Thiago Trevizam Dorini
• Direction : Émilie Gaudry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• 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 : Sébastien Lebègue
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Émilie Gaudry, Anne Hemeryck, Jacek Goniakowski, Stefan Förster, Céline Dupont
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne Hemeryck, Jacek Goniakowski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes génétiques

Microagrégats

Structure atomique

Théorie de la fonctionnelle de densité

Couches minces

Mots clés libres

Films ultraminces

Théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT)

Approximants quasi-cristallins d’oxyde (OQA)

Algorithme génétique (GA)

Ultrathin films

Density Functional Theory (DFT)

Surface properties

Genetic Algorithm (GA)

Résumé

La croissance de matériaux oxydes bidimensionnels (2D) sur des métaux ou des intermétalliques peut conduire à des arrangements atomiques complexes, dont la description structurale à l’échelle atomique n’est pas simple. Des progrès considérables ont été réalisés dans la prédiction de structures cristallines ces dernières années, grâce au développement de codes de calcul efficaces et à la disponibilité de ressources de calcul importantes. Dans ce travail, plusieurs approches sont utilisées, basées sur des configurations de pavage, un algorithmes évolutif, ou des calculs de dynamique moléculaire ab initio, combinés à la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité. Nous nous concentrons sur deux systèmes de films ultra-minces distincts : les approximants quasi-cristallins d’oxyde (OQA) et les films d’oxyde complexes supportés sur PdIn(001). Dans le premier système, on part des modèles structuraux issus des travaux de Förster et al. et Cockayne et al. et nous étudions systématiquement les propriétés intrinsèques de ces OQA 2D lorsqu’ils sont déposés sur des substrats métalliques. Cela nous permet de révéler les relations structure-propriété et les comparer aux phases récemment découvertes. Sur le deuxième système, nous appliquons une combinaison de DFT et de calculs évolutifs pour proposer plusieurs structures atomiques possibles de films d’oxyde d’indium ultrafins sur PdIn(001). Pour les deux systèmes, la stabilité est évaluée par le calcul des enthalpies de formation et des énergies de surface, en utilisant des modèles thermodynamiques pour rendre compte des conditions de croissance. Les images de microscopie à effet tunnel (STM), qui sont corrélées avec le pavage (arrangements des des tuiles) pour chaque structure, sont simulées. Les calculs de structure électronique fournissent également des informations sur l’interaction oxyde-substrat. Ce travail théorique peut être utilisé comme base solide pour de futures expériences et est précieux pour la compréhension théorique de la relation structure-propriétés de ces films ultra-minces.

The growth of two dimensional (2D) oxide materials on metals or intermetallics can lead tocomplex atomic arrangements, whose structural description at the atomic scale is not straightforward. Considerable progress have been made in crystal structure prediction these last years, through the development of efficient computer codes and the availability of large computational resources. In this work, several approaches are used, based on tiling configurations, evolutionary algorithms, or ab initio molecular dynamics, combined with Density Functional Theory. We focus on two distinct ultrathin films systems : oxide quasicrystalline approximants (OQA) and complex oxide films grown on PdIn(001). In the former system, we start from the structural models derived from the works of Förster at al. and Cockayne et al., and systematically investigate the intrinsic properties of these 2D OQA when deposited over metallic substrates. This allow us to reveal structure-property relationships and compare with recently discovered phases. On the latter system, we apply a combination of DFT and evolutionary computations to propose several possible atomic structures of ultrathin indium oxide films on PdIn(001). For both systems, the stability is investigated through the calculation of formation enthalpies and surface energies, using thermodynamic models to account for the growth conditions. The scanning tunneling microscopy (STM) images, which are correlated with the tiling configurations for each structure, are simulated as well. Electronic structure calculations also provide insights about the oxide-substrate interaction. This theoretical work can be used as a solid ground for future experiments and is valuable for the theoretical understanding of structure-properties relationship for these ultrathin films.