Alkali-Halide Thin Films : Growth, Structure and Reactivity upon Electron Irradiation

par Ala Husseen

Thèse de doctorat en Physique et chimie de la matière et des matériaux

Sous la direction de Andrew Mayne.

Soutenue le 29-03-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Institut des sciences moléculaires d'Orsay (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Anne Lafosse.

Le jury était composé de Andrew Mayne, Anne Lafosse, Clemens Barth, Régis Stephan, Jean-Marc Themlin.

Les rapporteurs étaient Clemens Barth, Régis Stephan.

  • Titre traduit

    Couches minces d'halogénures de métaux alcalins : structure et réactivité sous irradiation électronique


  • Résumé

    NaCl et KCl sont des matériaux à large bande interdite d’énergie, qui sont de plus en plus utilisés sous forme de couches minces en sciences des surfaces et dans des études de spectroscopie de molécules individuelles, pour découpler électroniquement des molécules organiques d’un substrat métallique. De plus, la réactivité de NaCl et KCl, sous forme de cristaux massifs, sous irradiation électronique ou photonique, a été beaucoup étudiée depuis les années 1970s. Dans ce mémoire de thèse, nous présentons les résultats d’une étude détaillée de couches minces de NaCl et de KCl sur Ag(001) par microscopie et spectroscopie à effet tunnel (STM/STS), diffraction des électrons lents (LEED) et spectroscopie d’électrons Auger (AES) sous ultravide. Afin d’obtenir des couches minces de haute qualité sur une surface métallique et de contrôler les propriétés de ces couches (épaisseur, taille et orientation des domaines, etc.), nous étudions en détails la formation de la couche en fonction des paramètres de croissance. De plus, les mesures de topographie STM montrent que l’épaisseur apparente et le contraste STM des couches isolantes dépendent de la différence de potentiel pointe-surface. Nous décrivons les modifications induites par irradiation électronique d’halogénures d’alcalins dans le régime de couches ultraminces. Les cinétiques et produits de réaction sont examinés dans le cas de couches de NaCl sur Ag(001). Les modifications structurales et chimiques sous faisceau d’électrons d’énergie 52-60 eV et 3 keV sont étudiées en utilisant respectivement le LEED et l’AES. Les effets de l’irradiation sur la géométrie et l’épaisseur des couches (allant de 2 à 5 couches atomiques) sont mesurés en STM. Nous observons que la déplétion en chlore induite par l’irradiation suit une cinétique différente de celles précédemment décrites pour les couches épaisses et cristaux massifs de NaCl. Les atomes de sodium produits par la dissociation de NaCl diffusent vers les zones nues de la surface Ag(001), où ceux-ci forment des superstructures Na-Ag connues pour le système Na/Ag(001). La modification des couches est le résultat de deux processus, pouvant être interprétés comme une désorganisation rapide de la couche avec l’arrachement de molécules de NaCl des bords d’îlots, et une perte lente de l’ordre structural à l’intérieur des îlots de NaCl due à la formation de trous par déplétion du chlore. La cinétique de la croissance des superstructures Na-Ag est expliquée par la diffusion limitée sur la surface irradiée, en raison de l’agrégation de molécules de NaCl désordonnées aux bords de marches du substrat. Nous avons également entrepris l’étude par STM de molécules de PTCDA déposées sur le substrat métallique Ag(001) et sur le système KCl/Ag(001). Nous obtenons une monocouche de PTCDA sur Ag(001) qui présente un arrangement avec une maille carrée. Sur les films de KCl, des molécules de PTCDA isolées ainsi que des structures empilées compactes ont été trouvées.


  • Résumé

    NaCl and KCl are wide band gap materials that are increasingly used as thin films in surface science and single-molecule spectroscopy studies to electronically decouple organic molecules from a metal substrate. In addition, the reactivity of bulk NaCl and KCl crystals under electron irradiation has been widely studied since the year 1970 s. In this dissertation, we report a detailed investigation on the structures of two different thin films of NaCl and KCl grown on the Ag(001) substrate by scanning tunneling microscopy (STM), scanning tunneling spectroscopy (STS), low energy electron diffraction (LEED), and Auger electron spectroscopy (AES) in ultrathin vacuum condition. In order to obtain high-quality thin films and to control the properties of these films on the metal surface (film thickness, domain size, domain orientation, etc), we study in detail the film growth, especially as a function of the growth parameters. In addition, the apparent height measurements by STM show that the apparent thickness and the STM contrast of these two insulating films are bias dependent. We report on an electron-induced modification of alkali halides in the ultrathin film regime. The reaction kinetics and products of the modifications are investigated in the case of NaCl films grown on Ag(001). Their structural and chemical modification upon irradiation with electrons of energy 52–60 eV and 3 keV is studied using LEED and AES, respectively. The irradiation effects on the film geometry and thickness (ranging from between two and five atomic layers) are examined using STM. We observe that Cl depletion follows different reaction kinetics, as compared to previous studies on thick NaCl films and bulk crystals. Na atoms produced from NaCl dissociation diffuse to bare areas of the Ag(001) surface, where they form Na-Ag superstructures that are known for the Na/Ag(001) system. The modification of the film is shown to proceed through two processes, which are interpreted as a fast disordering of the film with removal of NaCl from the island edges and a slow decrease of the structural order in the NaCl with formation of holes due to Cl depletion. The kinetics of the Na-Ag superstructure growth is explained by the limited diffusion on the irradiated surface, due to aggregation of disordered NaCl molecules at the substrate step edges. We have also investigated the deposition of PTCDA molecules on the metallic substrate Ag(001) and on the KCl/Ag(001) system using STM. We obtain a monolayer of PTCDA molecules on Ag(001) that is arranged in a square unit cell. On KCl films, both individual PTCDA molecules and a densely packed structure are found.



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