Etude structurale et énergétique

Figure 38: a, b) Conformation trans et conformation cis de la pyridile-azobenzène ; les cercles bleus, oranges et blancs correspondent aux atomes d’azote, de carbone et d’hydrogène

respectivement

2. Etude structurale et énergétique

a. Pyridine sur Si(111)-B

Nous avons, dans un premier temps, étudié l’adsorption de la molécule de pyridine sur la surface Si(111)-B dans le but de comparer nos résultats à ceux obtenus dans la littérature. Cette molécule

Chapitre 3 Etude de l’adsorption d’une molécule de pyridile-azobenzène sur SiB

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contient un doublet non liant d’azote qui pourrait réagir avec les adatomes de la surface. Afin de trouver l’orientation optimale, plusieurs conformations ont été testées selon l’angle de la molécule par rapport à la surface. La cellule de référence utilisée dans les calculs est une cellule 2x2 de Si(111)-B (figure 39 a, b). Trois modèles ont été particulièrement étudiés :

-un modèle où la molécule est parallèle à la surface (figure 39c). (Correspondant à un angle de 0°) - un modèle où la molécule est inclinée d’un angle de 45° par rapport à la surface (figure 39d).

- un modèle où la molécule est perpendiculaire à la surface (figure 39e). (Correspondant à un angle de 90°)

Dans chaque modèle, l’azote est situé au dessus d’un adatome. Les calculs ont été effectués en GGA sans tenir compte des forces de Van der Waals.

Figure 39: a, b) Vue de coté et vue de dessus de la cellule de calcul ; c) Adsorption de la pyridine parallèlement à la surface ; d) Adsorption de la pyridine orientée d’un angle de 45° par rapport à la

surface ; e) Adsorption de la pyridine perpendiculairement sur la surface ; les cercles rouges, bleus, oranges, verts, jaunes et blancs correspondent aux adatomes de silicium, aux atomes d’azote, de

carbone, bore, silicium et d’hydrogène respectivement

a) b)

c) ^d)

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Dans le cas de l’adsorption de la molécule parallèlement à la surface (figure 39c), la position est métastable, la molécule s’éloigne de la surface. L’énergie d’adsorption, après relaxation, est de -0.03 eV et la distance Si-N est de 3.00 Å. Dans le cas de l’adsorption d’une molécule inclinée (figure 39d), la molécule de pyridine reste accrochée et présente une énergie d’adsorption de -0.44 eV et une distance Si-N de 2.02 Å. Dans le dernier modèle où la molécule est perpendiculaire à la surface (figure 39d, e), la molécule de pyridine reste également accrochée à l’adatome de la surface. L’énergie d’adsorption passe à -0.5 eV et la distance Si-N, après relaxation, est de 2.04 Å.

En conclusion, cette étude préalable portant sur la molécule de pyridine montre que la molécule reste accrochée à l’adatome de silicium de la surface uniquement lorsque l’angle molécule surface est supérieur à 45°. De plus, plus la molécule tend à devenir perpendiculaire à la surface, plus le modèle est stable énergétiquement en accord avec le résultat obtenu dans la référence (118).

b. Pyridile-azobenzène sur SiB(111)-B

Intéressons nous maintenant à l’étude de l’adsorption de la molécule de pyridile-azobenzène sur la surface Si(111)-B. D’après l’étude portant sur la pyridine, plusieurs configurations d’adsorption ont été retenues via le doublet non liant de l’azote de la pyridine. Nous avons également envisagé les possibilités de conformations cis ou trans sur la surface. Enfin, compte tenu du fait que la surface de Si(111)-B présente toujours un certain nombre de lacunes de bore, nous avons étudié l’effet d’une telle lacune sur les conformations structurales et les énergies d’adsorption de la pyridile-azobenzène (les modèles correspondants portent la lettre d). Nous avons également envisagé la possibilité d’une adsorption de la molécule via la double liaison N=N de l’azobenzène.

En tenant compte de ces différentes possibilités, dix modèles d’adsorption par le doublet non liant de la molécule ont été envisagés présentant des angles molécule-substrat différents. Dans le cas de l’adsorption de la molécule via la double liaison N=N de l’azobenzène, deux modèles ont été retenus. Le modèle de la surface utilisé pour cette étude correspond à une 4x4 du Si(111)-B. Elle comporte cinq couches de silicium avec des atomes de bore occupant les positions S5 sous les adatomes de silicium. Les liaisons arrières du modèle atomique de la surface sont saturées par des atomes d’hydrogène afin d’éviter la présence de liaisons pendantes. Pendant le processus d’optimisation, les atomes de la surface ainsi que trois couches supérieures de silicium ont été relaxées, le reste est maintenu fixe dans leur position volumique. Les modèles étudiés sont présentés sur la figure suivante.

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b) _b’)

c’)

d) d’)

e) e’)

c)

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Figure 40: a) Substrat SiB sans défaut de bore ; a’) Substrat Si(111)-B en présence d’un défaut de bore ; b) Modèle M1 ; b’) Modèle M1d ; c) Modèle M2 ; c’) Modèle M2d ; d) Modèle M3 ; d’) Modèle

M3d ; e) Modèle M4 ; e’) Modèle M4d ; f) Modèle M5 ; f’) Modèle M5d ; g) Modèle M6 ; g’) Modèle M6d. Tous les modèles contenant une lacune de bore sont référencés avec la lettre d. les cercles

rouges, bleus, oranges, verts, jaunes et blancs correspondent aux adatomes de silicium, aux atomes d’azote, de carbone, bore, silicium et d’hydrogène respectivement

Dans les modèles M1/M1d à M4/M4d, la molécule est dans sa conformation trans en l’absence ou en présence d’une lacune de bore. La configuration cis correspond aux modèles M5/M5d et M6/M6d.

Les modèles M1 (figure 40b) et M1d (figure 40b’) présentent le cas d’adsorption de la molécule via le doublet non liant de la pyridine parallèlement à la surface sans et avec défaut de bore respectivement. Les modèles M2 (figure 40c) et M2d (figure 40c’) sont les modèles où la molécule est attachée par la double liaison N=N déposée parallèlement à la surface sans et avec défaut de bore respectivement. Les modèles M3 (figure 40d) et M3d (figure 40d’) présentent l’adsorption de la molécule via l’azote de la pyridine perpendiculairement à la surface sans et avec défaut de bore. Les modèles M4 (figure 40e) et M4d (figure 40e’) sont relatifs à l’adsorption de la molécule orienté à 45° par rapport à la surface via l’azote de la pyridine sans et avec défaut de bore respectivement. Les modèles M5 (figure 40f) et M5d (figure 40f’) présentent l’adsorption de la molécule perpendiculaire à la surface dans sa conformation cis via l’azote de la pyridine avec et sans lacune de bore. Les derniers modèles M6 (figure 40g) et M6d (figure 40g’) sont les modèles où la molécule est adsorbée via l’azote de la pyridine et orienté à 45° par rapport à la surface sans et avec défaut de bore.

f) f’)

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Les calculs ont été effectués en GGA et GGA+D pour tenir compte des forces dispersives de Van der Waals. Les résultats structuraux et énergétiques sont reportés dans le tableau ci-dessous.

Modèle Energie d’adsorption (eV) en GGA Energie d’adsorption (eV) en GGA+D Distance Si-N (Å) en GGA Distance Si-N (Å) en GGA-D M1 -0.01 -0.63 3.08 3.08 M1d -0.51 -1.18 1.86 1.83 M2 _{-0.14 -0.89 2.28 2.32} M2d -0.74 -1.55 1.87 1.87 M3 -0.65 -0.84 2.00 2.16 M3d _{-0.88 -1.08 1.85 1.86} M4 -0.38 -0.64 1.98 2.00 M4d -0.48 -0.84 1.84 1.85 M5 _{-0.48 -0.80 1.97 2.00} M5d -0.72 -1.17 1.84 1.84 M6 -0.53 -0.92 2.00 1.99 M6d _{-0.64 -1.13 1.86 1.86}

Tableau 5: Etudes énergétique et structurale des modèles étudiés en GGA et en DFT-D A partir de ces résultats, nous constatons que les énergies d’adsorption en GGA sont moins stables que celles en GGA+D pour tous les modèles. Ce résultat est conforme à la littérature. L’ajout du terme attractif du Van der Waals permet en effet, de stabiliser les énergies d’adsorption. En ce qui concerne les distances d’équilibre, l’ajout du terme correctif de Van der Waals ne perturbe la distance d’équilibre obtenue en GGA que dans quelques cas.

 En GGA

En GGA, les modèles M1 et M2 présentent les énergies d’adsorption les plus faibles et la molécule se détache de la surface après relaxation. La distance Si-N est un peu plus grande que la longueur d’une liaison covalente Si-N. En présence d’un défaut de bore (modèle M1d et M2d), les énergies d’adsorption sont un peu plus favorables que dans les cas des modèles M1 et M2. Les distances Si-N obtenues sont plus courtes. La lacune de bore stabilise la molécule sur la surface.

Pour les modèles M3 et M3d, la molécule perpendiculaire à la surface est adsorbée via le doublet non liant de l’azote de la pyridine. La molécule reste adsorbée sur la surface dans les deux cas en

Chapitre 3 Etude de l’adsorption d’une molécule de pyridile-azobenzène sur SiB

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présence et en absence d’une lacune de bore. l’énergie d’adsorption est plus importante dans le cas M3d avec un défaut de bore et les distances Si-N sont plus petites.

Dans les modèles M4 et M4d, la molécule, après relaxation, présente un angle proche de 45° avec la surface. Elle est adsorbée via l’atome d’azote de la pyridine avec une énergie moins favorables que celle obtenue dans le cas M3 et M3d. En effet, l’angle de 45° de la molécule par rapport à la surface semble déstabiliser ce modèle.

Dans le cas des modèles M5 et M5d, la molécule est dans sa conformation cis, adsorbée verticalement par rapport à la surface. La géométrie, après relaxation, reste verticale et les énergies d’adsorption sont du même ordre de grandeur que dans le cas M3 et M3d pour des distances Si-N similaires.

Pour les derniers modèles M6 et M6d, la molécule est tiltée par rapport à la surface. Elle reste adsorbée, après relaxation, dans les deux cas avec des énergies d’adsorption et des distances Si-N similaires aux modèles M3, M5 et M3d et M5d.

En GGA et en l’absence d’un défaut de bore, le modèle le plus stable énergétiquement (Eads=-065 eV) est le modèle M3 qui est attaché à la surface via l’azote de la pyridine et forme un angle de 90° avec la surface. En présence d’un défaut de bore, le modèle M3 reste le plus stable. L’ensemble des résultats montre que l’inclinaison de la molécule par rapport à la surface déstabilise l’énergie d’adsorption.

L’introduction d’une lacune de bore ne modifie pas les tendances déjà observée dans le classement des modèles entre eux dans le cas sans défaut. La présence d’un défaut favorise une réactivité plus forte de la surface et permet d’augmenter l’énergie d’adsorption. La diminution de la distance Si-N conduit, dans le cas des modèles M1d et M2d, à une distance compatible avec la formation d’une liaison chimique.

 En GGA+D

Dans le cas des simulations effectuées en GGA+D, les résultats montrent que pour les modèles M1 et M2, malgré des énergies d’adsorption plus favorables, les distances Si-N ne sont pas compatibles avec la création d’une liaison. Pour tous les autres modèles, la molécule est adsorbée sur la surface avec des énergies d’adsorption toujours plus importantes que dans les cas étudiés en GGA. Les distances Si-N ne sont pas influencées par l’introduction du terme correctif de Van der Waals. Elles restent proches des distances Si-N obtenue en GGA.

Il faut cependant remarquer que dans le cas des modèles M1 et M2, où la molécule est parallèle à la surface, les énergies d’adsorption sont plus proches des valeurs obtenues pour les modèles perpendiculaires. La même tendance est observée dans le cas de la présence d’un défaut de bore. L’ensemble des ces résultats montrent que les forces de Van der Waals favorisent l’adsorption des modèles parallèles à la surface par rapport aux modèles perpendiculaires, ce qui est en accord avec des résultats obtenus sur des métaux (118).

En ce qui concerne les modèles où la molécule est en position cis (M5/M5d et M6/M6d), nous avons montré que ces modèles sont stables énergétiquement. Cependant, les expériences STM montrent

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qu’à faible recouvrement la conformation cis n’est pas observée lorsque l’on dépose des molécules en conformation trans ⁽¹³⁶⁾.

En conclusion de cette partie, nous pouvons retenir que la présence d’un défaut de bore a une influence importante sur les énergies d’adsorption. En effet, la surface avec un défaut est plus réactive que la surface parfaite. Nous pouvons supposer, à ce stade, que les mécanismes d’adsorption doivent être différents selon que la liaison pendante est occupée ou pas par un électron. Pour déterminer le type d’interactions entre la molécule et la surface, nous avons effectué une étude de la structure électronique et étudié le type d’interaction existant entre la molécule et la surface.

De plus, nous avons montré le rôle des interactions de Van der Waals : la prise en compte des interactions de VdW rend les modèles parallèles à la surface aussi stable que les modèles où la molécule est perpendiculaire à la surface. En effet, la molécule parallèle à la surface interagit plus largement avec la surface.

De tous les modèles étudiés, ce sont les modèles M2 et M3 les plus stables en l’absence de lacune de bore. De même, les modèles M2d et M3d sont parmi les plus stables en présence d’un défaut. Dans la suite de ce travail, nous allons étudier plus particulièrement ces deux modèles qui présentent deux mécanismes d’adsorption différents. En effet, dans le cas du modèle M2, la molécule est adsorbée horizontalement par rapport à la surface via la double liaison N=N alors que dans le cas du modèle M3, la molécule est adsorbée verticalement via l’azote de la pyridine.