Spectroscopies électroniques et Calculs ab-initio d' états de c oeur excit és'

185 Pages·2017·4.49 MB·French

by  Claire Mathieu

Approche intégrée ”Spectroscopies électroniques et
Calculs ab-initio d’ états de c oeur excit és” des modes
d’adsorption de l’ammoniac et de diamines sur la surface
Si(001)-2 x1.
Claire Mathieu
To cite this version:
ClaireMathieu. Approcheintégrée”SpectroscopiesélectroniquesetCalculsab-initiod’étatsdecoeur
excit és” des modes d’adsorption de l’ammoniac et de diamines sur la surface Si(001)-2 x1.. Chimie
théorique et/ou physique. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2009. Français. ￿NNT: ￿.
￿tel-00796706￿
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abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE
Sp´ecialit´e : Chimie Physique et Analytique de Paris Centre.
Pr´esent´ee par
Claire Mathieu
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE
Approche int´egr´ee “Spectroscopies ´electroniques et Calculs
ab-initio d’´etats de cœur excit´es” des modes d’adsorption
de l’ammoniac et de diamines sur la surface Si(001)-2 1.
×
soutenue le 25 Septembre 2009
devant le jury compos´e de :
Mme Maria Novella PIANCASTELLI Rapporteur
M. Jean-Franc¸ois PAUL Rapporteur
M. Patrick CHAQUIN Examinateur
M. Serge PALACIN Examinateur
M. Fausto SIROTTI Examinateur
M. St´ephane CARNIATO Directeur de Th`ese
M. Franc¸ois ROCHET Directeur de Th`ese
M. Jean-Jacques GALLET Invit´e

Je tiens tout d’abord `a remercier Alain DUBOIS, directeur du Laboratoire de Chimie Phy-
sique Mati`ere et Rayonnement, pour m’avoir accueilli au sein du laboratoire pendant ces trois
ans, et pour m’avoir donn´e les moyens de partir de si nombreuses fois `a l’´etranger. Je le remercie
´egalement pour son soutien tout au long de ma th`ese.
Je suis tr`es reconnaissante envers Maria-Novella PIANCASTELLI et Jean-Franois PAUL
pour l’int´erˆet qu’ils ont montr´e en acceptant d’ˆetre rapporteurs de ma th`ese. Je remercie
´egalement Serge PALACIN, Patrick CHAQUIN, Fausto SIROTTI, St´ephane CARNIATO,
Franc¸ois ROCHET et Jean-Jacques GALLET d’avoir accept´e de faire partie du jury.
Je tiens ensuite `a remercier mes deux directeurs de th`ese, Franc¸ois ROCHET et St´ephane
CARNIATO pour cette formidable exp´erience, aussi bien professionnelle que personnelle, pen-
dant laquelle j’ai appr´eci´e discuter et travailler avec eux. Je les remercie pour leurs explications
et conseils qui m’ont permis d’accomplir ce long, mais passionnant travail qu’est la th`ese. Je
les remercie enfin de m’avoir permis de la passer dans d’excellentes conditions.
Je voudrais ensuite remercier Jean-Jacques GALLET et Fabrice BOURNEL pour leurs
conseils, les longues heures sur synchrotron ou` nous avons pu avoir de longues discussions
scientifiques mais ´egalement culturelles `a toutes les heures de la journ´ee et de la nuit. Je les
remercie pour leur soutien et leur encouragement pendant ces trois ann´ees et regrette qu’il n’y
ait plus d’autres exp´eriences synchrotrons (ou autres) pour parfaire mes connaissances.
Je voudrais ´egalement remercier Ulrich KOLHER de l’universit´e de Bochum, pour m’avoir
permis de faire des exp´eriences en microscopie `a effet tunnel au sein de son laboratoire. Je re-
mercie Ralf FUNKE et Martin KNEPPE, qui m’ont aid´e lors de ces exp´eriences. Je tiens aussi `a
remercier Stefan KUBSKY pour les exp´eriences STM men´ees dans son laboratoire (Laboratoire
des Surfaces `a SOLEIL) et pour m’avoir accompagn´e lors de mes d´eplacements en Allemagne.
Je tiens `a exprimer toute ma gratitude `a l’´equipe de la ligne TEMPO `a SOLEIL : Fausto
SIROTTI, Mathieu SILLY, Christian CHAUVET pour leurs conseils et leur gentillesse lors de
mes exp´eriences. Je voudrais ´egalement remercier Maria-Novella PIANCASTELLI et Franz de
la ligne I511-1 `a MAX LAB et Elena MAGNANO et Federica BONDINO, de la ligne BACH `a
ELETTRA, pour leur aide lors des nombreuses exp´eriences r´ealis´ees sur leur ligne de lumi`ere.
Je voudrais ensuite remercier l’´equipe du troisi`eme ´etage de m’avoir si gentiment accueilli :
merci `a Alfred MAQUET de m’avoir prot´eg´e des deux chercheurs du fond, merci `a Richard
4
TAIEB d’avoir surveill´e avec soin l’avancement de mon manuscrit de th`ese et d’avoir pass´e tant
d’heures avec mes nombreux ordinateurs (le chat noir s’en est finalement sorti), merci `a J´er´emie
CAILLAT pour sa patience et son soutien tout au long de cette aventure. Enfin merci `a Nicolas
SISOURAT pour m’avoir si souvent aid´e lors de ma th`ese (calculs, bugs informatiques, TP,
LATEX, et j’en passe) et m’avoir si gentiment ouvert son bureau.
N’oublions pas tout le personnel du laboratoire qui m’a si chaleureusement accueilli, ainsi
que les doctorants, post-doc et stagiaires que j’ai crois´e lors de ma th`ese; les r´eunions de
th´esards ´etaient enrichissantes et permettaient des d´ebats souvent int´eressants : il faut qu’elles
perdurent! Je remercie donc Nicolas, H´el`ene, Romain, J´erˆome P., C´ecilia, Gr´egory, J´erˆome L.,
XuXu, Lara pour ces r´eunions in-situ et ex-situ.
Enfin, je voudrais remercier mes proches, notamment Fr´ed, C´ecile, Anne-Marie, Thierry
et Marc, qui m’ont ´epaul´e et soutenu durant trois ann´ees, tout particuli`erement dans les six
derniers mois de ce voyage intellectuel.
Table des mati`eres
Table des mati`eres 4
Introduction 9
I M´ethodes exp´erimentales 15
1 La spectroscopie de photo´electron 17
1.1 Principe de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2 Ph´enom´enologie de la photo´emission dans un solide . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3 Mesures des spectres de niveaux de cœur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.1 Etude de la position des pics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.2 Intensit´e des pics de photo´emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.3 Forme des pics de photo´emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.4 Traitement num´erique des spectres XPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.5 Etude quantitative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2 La spectroscopie d’absorption X NEXAFS 27
2.1 Principe de la spectroscopie NEXAFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2 D´ependance angulaire des intensit´es des pics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Techniques d’acquisition des spectres d’absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 Analyse des spectres NEXAFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3 Calcul de structures ´electroniques 35
3.1 Calculs des ´energies de liaison des niveaux de cœur . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.2 Choix des m´ethodes : ∆SCF(HF)/∆KS(DFT) . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 M´ethode ab-initio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.1 Approche Hartree-Fock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5
`
6 TABLE DES MATIERES
3.2.2 Approche LCAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 M´ethode de la fonctionnelle de la densit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.1 Approche de Thomas-Fermi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.2 La m´ethode de Kohn-Sham . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.3 Les principales approximations utilis´ees en DFT . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4 Calcul d’un ´etat excit´e ou ionis´e en couche interne . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4.1 Approximation de Koopmans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4.2 Approche ∆SCF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.3 Approche u-GTS/∆KS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5 Choix des bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.5.1 Base utilis´ee dans ce travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5.2 Optimisation de bases 6-31G* pour des configurations 1s12s22pn (n=1,5) 54
3.5.3 M´ethode Monte-Carlo/recuit simul´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.4 Effet de corr´elation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.6 Spectroscopie d’absorption X : simulation de spectres NEXAFS . . . . . . . . . 59
3.6.1 L’approche STEX/HF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6.2 L’approche DFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.6.3 Simulation du continuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.4 Prise en compte de l’´etat de spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.7 Mod´elisation de la surface Si(001) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
II Adsorption de l’ammoniac et de diamines sur la surface Si(001)-
2 1 67
×
4 La surface de silicium Si(001)-2 1 69
×
4.1 Reconstruction de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2 Les surfaces nominale et vicinale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3 Effet de surface et du dopage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4 Pr´eparation des surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.5 Caract´erisation de la surface par XPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.6 R´eactivit´e de la surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.6.1 Le dim`ere de silicium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.6.2 S´electivit´e des modes d’adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5 Adsorption de l’ammoniac sur silicium Si(001)-2 1 79
×
5.1 Etat de l’art pour l’´etude de l’ammoniac sur Si(001) . . . . . . . . . . . . . . . . 80
`
TABLE DES MATIERES 7
5.1.1 Modes d’adsorption de l’ammoniac sur la surface Si(001) . . . . . . . . . 80
5.1.2 Sites d’adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2 Etude XPS haute r´esolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2.1 Spectre XPS du niveau Si 2p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2.2 Spectre XPS du niveau N 1s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3 Etude par Absorption X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.3.1 Spectres NEXAFS au seuil N 1s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.3.2 Comparaison entre la structure ´electronique de Si NH et NH . . . . . 95
2 3
−
5.3.3 Effet de la liaison hydrog`ene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.3.4 Simulation th´eorique des spectres NEXAFS au seuil N 1s . . . . . . . . . 97
5.3.5 ComparaisondesspectresNEXAFSsimul´esaveclesspectresexp´erimentaux 98
5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6 Potentiels d’ionisation I N 1s et C 1s d’amines adsorb´ees sur Si(001) 101
6.1 Cas des mol´ecules isol´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.1.1 Effet de la longueur de la chaˆıne aliphatique . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.1.2 Effet de la substitution des atomes d’hydrog`ene, port´es par la fonction
amine, par des groupements m´ethyles et ´ethyles . . . . . . . . . . . . . . 104
6.2 Effet de la taille des clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.3 Greffage en mode dissociatif sur Si(001) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.4 Greffage par voie dative sur Si(001) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.4.1 Effet de la longueur de la chaˆıne aliphatique . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.4.2 Effet de la substitution des atomes d’hydrog`ene, port´es par la fonction
amine, par des groupements m´ethyles et ´ethyles . . . . . . . . . . . . . . 112
6.4.3 Cas des liaisons bidentates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.4.4 Effet du silicium en position haute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.4.5 Effet de la chimie de la surface : amines sur Ge(001) . . . . . . . . . . . . 117
6.5 Synth`ese des donn´ees utiles `a l’exploitation des spectres exp´erimentaux . . . . . 119
6.5.1 Construction du spectre de l’EDA greff´e sur Si(001) . . . . . . . . . . . . 120
6.5.2 Cas du DAB et du TMEDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7 R´eactivit´e de diamines sur la surface Si(001) 125
7.1 Cas dissociatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.1.1 Etude des spectres de photo´emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.1.2 Effet du substrat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
7.2 Cas datif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8 Table des mati`eres
7.2.1 Etudes des spectres de photo´emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.2.2 Caract´erisation par STM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.3 Organisation de la surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.3.1 Cas de l’EDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.3.2 Cas du DAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
8 Evolution de la liaison chimique, effet de dose 147
8.1 Effet de la dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
8.1.1 Analyse d’un dosage s´equentiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
8.1.2 Etude de spectres XPS en temps r´eel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
8.2 Effet du faisceau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
8.2.1 D´et´erioration de la mol´ecule TMEDA sous faisceau . . . . . . . . . . . . 160
8.2.2 D´et´erioration de la mol´ecule en fonction du courant ´echantillon . . . . . 161
8.2.3 Effets combin´es de la dose d’exposition et de l’irradiation . . . . . . . . . 162
8.3 Sc´enarii possibles de l’´evolution des modes d’adsorption . . . . . . . . . . . . . . 164
8.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Conclusion 169
Introduction
La deuxi`eme moiti´e du XXeme et le d´ebut du XXIeme si`ecle ont ´et´e marqu´es par de grands
progr`es dans les domaines de l’´electronique, des technologies de communication et de la tech-
nologie des capteurs. Des efforts importants ont ´et´e effectu´es pour comprendre les principes
fondamentaux conduisant `a la conception de dispositifs toujours plus rapides et compacts, fa-
briqu´es `a partir de mat´eriaux fonctionnels innovants. L’´electronique mol´eculaire, qui consiste
`a utiliser les mol´ecules, le plus souvent organiques, pour ex´ecuter des fonctions ´equivalentes `a
celles des transistors, des diodes, des commutateurs et autres composants, ouvre de nouvelles
perspectives, en repoussant la limite physique des composants actuels. C’est pourquoi, il est
souhaitable que les nouveaux mat´eriaux pour l’´electronique, en particulier les syst`emes orga-
niques (adsorbats, solides mol´eculaires ou polym`eres) puissentˆetre int´egr´es sur des substrats de
silicium, qui demeure n´eanmoins le mat´eriau de base de l’´electronique. Deux articles de revues,
l’un ´ecrit par Waltenburg et al. [1] et l’autre par Yoshinobu et al. [2], ont marqu´e la naissance
officielle de la chimie de la surface de silicium. Dans la derni`ere d´ecennie, l’attention s’est prin-
cipalement port´ee sur la r´eactivit´e de groupements fonctionnels de la chimie organique (alcools,
alc`enes, alcynes, nitriles, amines, etc.), ´eventuellement conjugu´es, avec la surface propre de si-
licium Si(001) dim´eris´ee (surface d’int´erˆet technologique), dans des conditions de pr´eparation
compatibles avec l’ultra-haut vide [3] (r´eactions `a basse pression : 10 8 mbar). Apr`es s’ˆetre
−
∼
int´eress´es au greffage bidimensionnel de monocouches organiques, les chimistes et chercheurs
en science des mat´eriaux portent aujourd’hui plus sp´ecifiquement leur attention sur deux di-
rections : (i) la polym´erisation perpendiculaire `a la surface par r´eactions chimiques successives
(Molecular Layer Deposition ou MLD [3]) et (ii) les constructions supramol´eculaires et la crois-
sance cristalline contrˆol´ee des solides mol´eculaires sur une surface de Si(001) modifi´ee. Ces
recherches sont stimul´ees par la possibilit´e de construire des dispositifs ´electroniques innovants
sur des substrats silicium : r´ealisation de nanocomposants mol´eculaires [4], de diodes [5], de
transistors `a effet de champ (FET pour Field Effect Transistor) [6], ´eventuellement sensibles
aux modifications environnementales (d´etecteurs de mol´ecules d’int´erˆet biologique [7], capteurs
de gaz, etc.).
De nombreuses techniques permettent de caract´eriser l’adsorption de mol´ecules organiques
9