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Ardhuin, Thibault. Étude par STM et NC-AFM des mécanismes de charge de molécules individuelles sur substrats isolants

Ardhuin, Thibault (2018). Étude par STM et NC-AFM des mécanismes de charge de molécules individuelles sur substrats isolants.

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Résumé en francais

Ces dernières années sont apparues de nouvelles techniques permettant le contrôle de la charge de nano-objets individuels (atome, molécule, agrégat métallique ou semi-conducteur, ...) déposés sur substrats isolants. Cet aboutissement a été rendu possible par le perfectionnement des méthodes de microscopie à effet tunnel (STM) et à force atomique (AFM). En combinant ces outils, les précurseurs ont réussi à maîtriser l'état de charge d'un atome d'or déposé sur une bicouche de NaCl(001) sur substrat Cu(111). Par la suite, ce type de manipulation a été étendu à des systèmes moléculaires notamment au CEMES avec Cu(dbm)2. Ce sujet s'inscrit dans la continuité de ces études. L'objectif était d'analyser l'impact de l'augmentation de l'épaisseur du film isolant sur les mécanismes de charge. Cette problématique requière une quantification de l'état de charge du système ainsi qu'une mesure de l'épaisseur d'isolant. Dans ce travail, nous avons pu étudier des films de KBr et NaCl déposés sur des surfaces de Cu(111) et Ag(111). Pour ces études, que ce soit en courant tunnel (STM) ou en gradient de force (NC-AFM), le contrôle de l'état de pointe est essentiel. Lorsque l'on travaille sur substrat isolant, la pointe a tendance à collecter des contaminants qui en changent les propriétés électroniques. Or, pour charger un système de manière reproductible, il nous faut impérativement contrôler la métallicité de l'apex. Cette maîtrise passe par une re-préparation fréquente de la pointe sur une surface métallique, difficile à trouver dans le cas d'un film épais. Pour pallier à cette rareté, nous avons mis en place un masque de dépôt permettant un contrôle du gradient de l'épaisseur du film isolant tout en préservant des zones de métal libre. Cela nous a permis de réaliser nos mesures avec un état de pointe mieux contrôlé. L'instabilité de l'état de pointe nous a également conduit à effectuer des spectroscopies à courant régulé de type Z(V). En contrôlant ce courant, il est alors possible de minimiser l'interaction entre la pointe et le film isolant, préservant ainsi plus longtemps la pointe. Ces spectroscopies Z(V) permettent également d'augmenter la tension de mesure jusqu'à atteindre le régime d'émission de champ. Nous avons observé par cette méthode une variation de la modulation de l'amplitude des résonances d'émission de champ (FER) en fonction de l'épaisseur du film isolant. Une modélisation numérique par différences finies a été développée afin de comprendre ce phénomène. Des résultats préliminaires montrent que l'exploitation de cette propriété pourrait être à la base d'une méthode expérimentale en permettant la mesure de l'épaisseur du film isolant. Nous avons ensuite étudié l'adsorption de la molécule d'hexa-peri-hexabenzocoronène (HBC) sur des films de NaCl ou de KBr déposés sur des substrats de Cu(111) et Ag(111). Il a alors été possible de caractériser les résonances moléculaires (MER) de HBC isolées et d'assemblages moléculaires construits par manipulations avec la pointe du STM sur ces deux substrats aussi bien en spectroscopie qu'en imagerie. Afin de caractériser l'état de charge des molécules HBC, nous avons effectué des spectroscopies Δf(V) par NC-AFM, qui permettent de caractériser la force électrostatique entre la pointe et la surface. À partir d'une épaisseur de 6 monocouches de KBr, nous avons relevé l'apparition d'un décalage de la courbe de force aux tensions des MER de HBC (en positif et négatif), signature d'une accumulation de charge. Une prochaine étape dans la continuité de ce travail serait de combiner les assemblages moléculaires avec le processus de charge. Il serait alors possible de moduler le temps de résidence de l'électron en jouant non seulement sur l'épaisseur du film isolant mais aussi sur les couplages intermoléculaires en adaptant la structure des assemblages et ainsi d'étudier différentes situations où la charge peut ou non explorer l'assemblage avant d'être captée par le substrat.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Gauthier, Sébastien
Guillermet, Olivier
Ecole doctorale:Sciences de la matière (SdM)
laboratoire/Unité de recherche :Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales (CEMES), UPR 8011
Mots-clés libres :Physique des surfaces - STM - NC-AFM - Charge - Molécule
Sujets :Physique
Déposé le :14 May 2019 12:52