L’utilisation de systèmes moléculaires individuels pouvant jouer le rôle de composants avec des fonctions électroniques ou logiques requiert des interfaces parfaitement contrôlées. Plus précisément, le support sur lequel ces systèmes sont déposés et les électrodes métalliques qui permettent de contacter une molécule individuelle sont des interfaces qui nécessitent un soin d’élaboration particulier. La croissance d’îlots bidimensionnels (2d) de métaux sur un isolant monocristallin permet de générer des nano-plots 2d et de minimiser les courants de fuite en surface pour préserver les propriétés électroniques de la molécule. Ainsi, il apparaît capital de bien comprendre les modes de croissance de systèmes métal/isolant qui sont à l’heure actuelle mal connus.
Ce travail de thèse s’attache à décrire et à expliquer la croissance de différents métaux sur la surface polaire d’AlN(0001), qui est un composé nitrure à grand gap, par des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT).
Dans un premier temps, une description approfondie des différentes surfaces du nitrure d’aluminium est présentée avec comme hypothèse une reconstruction (2x2) de surface observée par microscopie à force atomique en mode non-contact (nc-AFM). Des calculs DFT ont permis de rationaliser les reconstructions obtenues en fonction des conditions expérimentales. La reconstruction (2×2)-Nad est discutée, puisqu’elle est statistiquement plus favorable.
Dans un deuxième temps, le cas du dépôt d’atomes d’or est abordé en connexion avec des résultats expérimentaux et les calculs DFT donnent un aperçu des mécanismes qui conduisent à la stabilisation d’îlots 2d. L'adsorption d’or s'accompagne, d'une part, d'un transfert vertical de charge provenant du substrat d’AlN, ce qui satisfait le critère de stabilité électrostatique pour un matériau polaire et, deuxièmement, par des transferts latéraux de charge qui sont reliés aux propriétés chimiques locales de la reconstruction (2×2)-Nad. Enfin, des calculs effectués sur deux autres métaux, le magnésium et l'argent, sont exposés.
Ces résultats ouvrent une voie vers de nouvelles stratégies utilisant des substrats polaires pour développer des monocouches métalliques sur des substrats isolants.
Mots-clés : DFT, modélisation, charge de Bader, transfert de charge, nitrure, AlN, surface polaire, interface métal/isolant, électronique moléculaire |
The use of individual molecular systems capable of acting as components with electronic or logical functions requires perfectly controlled interfaces. More precisely, the support on which these systems are deposited and the metal electrodes that permit to contact one single molecule are interfaces which require peculiar cares of elaboration. The growth of two-dimensional (2d) islands of metals on a monocrystalline insulator allow generating 2d nano-pads and to minimize surface leakage currents with an aim of preserving the electronic properties of the molecule. Thus, it is essential to understand the growth mode of metal/insulator systems that are at present poorly known.
This thesis work aims at describing and explaining the growth of different metals on the polar surface of AlN (0001), which is a large gap nitride compound, by calculations based on the density functional theory (DFT).
First, a detailed description of the different surfaces of aluminium nitride is presented with the hypothesis of a (2x2) surface reconstruction observed by non-contact atomic force microscopy (nc-AFM). DFT calculations made it possible to rationalize the obtained reconstructions according to the experimental conditions. The reconstruction (2×2)-Nad is discussed, since it is the statistically likeliest.
In a second step, the case of the deposit of gold atoms is approached in connection with experimental results and the DFT calculations give an overview of the mechanisms that lead to the stabilization of 2d islands. The adsorption of gold is accompanied, on the one hand, by a vertical charge transfer from the AlN substrate, which satisfies the electrostatic criterion of stability for a polar material and, on the other hand, by lateral charge transfers that are related to the local chemical properties of the reconstruction (2×2)-Nad. Finally, calculations on two other metals, magnesium and silver, are exposed.
These results open the way to new strategies using polar substrates to develop metallic monolayers on insulating substrates.
Keywords: DFT, modelling, Bader's load, charge transfer, nitride, AlN, polar surface, metal / insulator interface, molecular electronics |