Theoretical study of the reactivity of the (2x2) reconstruction of AlN(0001)
Etude théorique de la réactivité de la reconstruction (2x2) de l'AlN(0001)
Résumé
The use of individual molecular systems that can act 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 allow to contact an individual molecule, are interfaces that require special care in preparation.
The growth of two-dimensional (2d) islands of metals on a monocrystalline insulator allows to generate 2d
nano-pads that can be used as electron reservoirs by minimizing surface leakage currents. Thus, it is essential
to understand the growth modes of metal/insulating systems which are at present poorly known. This work
aims at describing and explaining the growth of di↵erent metals on the surface of the polar AlN (0001), which
is a large gap nitride compound, by calculations based on density functional theory (DFT). In a first step,
a detailed description of the various surfaces of the aluminum nitride is presented. DFT calculations permit
to rationalize the reconstructions according to the experimental conditions. The (2 x 2)-N ad reconstruction is
discussed, since it was observed by atomic force microscopy. In a second step, the case of the deposit of gold
atoms is tackled in connection with experimental results. DFT calculations give an overview of the mechanisms
that lead to the stabilization of 2d islands on AlN. The adsorption of gold is accompanied, on the one hand,
by a vertical charge transfer from the AlN substrate, which satisfies the electrostatic stability criterion for a
polar material and, on the other hand, by horizontal charge transfers related to the local acid-base properties
of the (2 x 2)-N ad reconstruction. Finally, calculations made 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.
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 pouvant servir de réservoirs
d’électrons en minimisant les courants de fuite en surface. Ainsi, il apparaît capital de bien comprendre les
modes de croissance des systèmes métal/isolant qui sont à l’heure actuelle mal connus. Ce travail de thèse
s’attache à décrire et expliquer la croissance de différents métaux sur la surface de l’AlN(0001) polaire, 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.
Des calculs DFT ont permis de rationaliser les reconstructions en fonction des conditions expérimentales. La
reconstruction (2 x 2)-N ad est discutée, puisqu’elle a été observée en microscopie à force atomique. Dans un
deuxième temps, le cas du dépôt d’atomes d’or est abordé en connexion avec des résultats expérimentaux.
Les calculs DFT donnent un aperçu des mécanismes qui conduisent à la stabilisation d’îlots 2d sur l’AlN.
L’adsorption d’or s’accompagne, d’une part, d’un transfert de charge vertical provenant du substrat d’AlN, ce
qui satisfait au critère de stabilité électrostatique pour un matériau polaire et, deuxièmement, par des transferts
de charges horizontaux reliés aux propriétés acido-basiques locales de la reconstruction (2 x 2)-N ad . Enfin, des
calculs effectués sur deux autres métaux, le magnésium et l’argent, sont exposés. Ces résultats ouvrent la voie
à de nouvelles stratégies utilisant des substrats polaires pour développer des monocouches métalliques sur des
substrats isolants.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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