Fraction de lumi`ere collect´ee

On peut estimer grossi`erement l’angle solide de d´etection, pour le syst`eme `a l’air. Pour simplifier, on suppose que l’axe optique est horizontal mais que la lentille r´ecolte toute la lumi`ere ´emise dans le demi–espace sup´erieur. Cette approximation n’est pas trop

grossi`ere si on se r´ef`ere au diagramme de rayonnement d’un dipˆole oscillant, qui ´emet de fa¸con pr´ef´erentielle dans le plan perpendiculaire au dipˆole, et `a l’allure du plasmon localis´e au niveau de la jonction. C’est donc juste la dimension horizontale de la lentille qui limite la collection. Ainsi, on peut estimer `a 0,5π st´eradian l’angle solide de collection. On r´ecup`ere donc `a peu pr`es 25 % de la lumi`ere ´emise par la jonction.

3.4

Conclusion

La d´etection de la lumi`ere ´emise par la jonction tunnel offre un diagnostic suppl´emen– taire pr´ecieux pour l’´etude des surfaces par STM.

L’obtention de cette information demande cependant un effort exp´erimental impor- tant, non seulement au niveau du montage optique mais aussi d’un point de vue ´electro– nique afin de synchroniser la d´etection de photons avec les autres acquisitions du STM (d´ecrites annexe B).

La combinaison d’une ´electronique “maison” avec un tel syst`eme optique fournit fina- lement un syst`eme d’une grande flexibilit´e, permettant de r´ealiser des ´etudes vari´ees, tant `a l’air que sous vide, dans de nombreuses configurations, comme nous allons le voir dans toute la suite du manuscrit.

Chapitre 4

Etude du substrat : Au(111)

Comme il a ´et´e annonc´e en introduction, le but de cette th`ese est d’´etudier la lumi- nescence induite par STM de jonctions constitu´ees de mol´ecules organiques ins´er´ees entre une pointe et un substrat m´etalliques.

L’´etude du substrat constitue une premi`ere ´etape naturelle de ce programme. La face (111) de l’or a ´et´e choisie pour diff´erentes raisons :

– elle est stable `a l’air,

– d’obtention facile `a partir de couches d’or d´epos´ees sur du mica, cette face dense est un des substrats les plus utilis´es pour la r´ealisation de couches auto–assembl´ees... D’autre part, comme nous l’avons vu ch.2, l’origine du contraste spatial sur les cartes de photons ´emises par des jonctions m´etalliques telles que W/Au(110) est encore mal comprise. Une ´etude `a caract`ere fondamental, et sur une surface aussi utilis´ee que la face (111) de l’or, nous a donc sembl´ee utile, afin de clarifier les m´ecanismes sous–jacents du processus de luminescence induite par STM.

La reconstruction 22 ×√3 de la face (111) de l’or sera, dans un premier temps d´ecrite. Ensuite, les r´esultats concernant l’´emission de photons d’une jonction Au(111)/Au sous UHV seront pr´esent´es. Ils seront finalement discut´es et le contraste observ´e sur les cartes photons interpr´et´e en terme d’influence des LDOS de la surface.

4.1

_{La reconstruction 22 ×}√3

_{de la face (111) de l’or}

4.1.1

Description

Les ´echantillons que nous avons utilis´es pendant cette th`ese correspondent `a la face cristalline (111) de l’or. Cette face dense, c’est `a dire pour laquelle l’arrangement des atomes est compact, poss`ede la particularit´e, unique parmi les m´etaux ayant une structure cubique faces centr´ees (cfc), de pr´esenter une reconstruction 22 ×√3.

Le terme de reconstruction d´esigne un positionnement des atomes de la couche de surface diff´erent de ceux du volume. Cette modification de structure permet de diminuer l’importante ´energie de surface cr´e´ee par la modification de la coordination des atomes de surface et du potentiel qu’ils subissent.

Celle de la face (111) de l’or, relativement complexe, a ´et´e d’abord ´etudi´ee via les m´ethodes classiques d’analyse de surface (diffraction d’´electrons lents, d’atomes d’h´elium...) avant d’ˆetre observ´ee par STM (voir par exemple [44, 45] et fig.4.1), ce qui a permis de d´eterminer sa structure exacte. La couche terminale est plus dense que celles du volume : elle contient en effet 4,5 % d’atomes suppl´ementaires entraˆınant une contraction uniaxiale et donc un r´earrangement structurel de celle–ci. La couche terminale comporte de ce fait des r´egions d’empilement cfc, comme dans le volume, alternant avec des r´egions d’empi- lement hexagonal compact (hc). La diff´erence de hauteur entre les deux zones n’exc`ede pas quelques dixi`emes d’angstr¨oms (cette valeur, mesur´ee par STM, d´epend, comme nous le verrons par la suite, de la nature de la pointe et des conditions de balayage). Ces deux r´egions sont s´epar´ees par des domaines de transition o`u les atomes se retrouvent dans des sites de sym´etrie inf´erieure. La zone situ´ee entre deux lignes appari´ees correspond `a un empilement hc et celle entre deux paires de lignes `a un empilement cfc (cf. fig.4.1(b), o`_{u la maille ´el´ementaire de la reconstruction 22 ×}√3 est report´ee). On notera que les zones cfc, plus stables ´energ´etiquement occupent logiquement la plus grande surface. Les vecteurs de base (b1,b2) de la maille reconstruite s’obtiennent `a partir des vecteurs de

hc

fcc

(a)

(b)

(c)

Fig. _{4.1 – Images STM d’une surface reconstruite de Au(111) (a) 36 × 42 nm}2_{, (b)} 57 × 89 ˚A2_{. La maille ´el´ementaire de la reconstruction est indiqu´ee ainsi que les zones}

d’empilement hc et cfc. (c) 123 × 128 nm2_{. D’apr`es [45].}

base (a1,a2) de la maille ´el´ementaire non reconstruite par la relation matricielle suivante :

  b1 b2  =   22 0 −1 2     a1 a2  

On arrive ainsi `a une maille rectangulaire avec des vecteurs de base de normes respec- tives 22a et √3a o`u a est la distance entre deux atomes d’or adjacents dans le volume, d’o`u la notation utilis´ee pour nommer cette reconstruction. Les marches r´esiduelles, de hauteur h = 2,5 ˚A, sont g´en´eralement orient´ees dans la direction de (a1) not´ee aussi

< 110 > et les lignes de reconstruction sont suivant la direction (b2) ou < 112 > (cf.

fig.4.2).

Les lignes sont coud´ees, formant des chevrons (herringbone) (cf. fig.4.1(c)) pour trouver un ´equilibre entre la stabilisation ´energ´etique due `a la reconstruction et les contraintes impos´ees par la forte densit´e d’atomes et la contraction uniaxiale. En effet, les coudes des diff´erentes lignes de reconstruction, eux–mˆemes align´es, sont le lieu de la relaxa- tion ´elastique et les lignes de coudes pr´esentent une interaction r´epulsive entre elles. Un ´equilibre est atteint pour une certaine distance entre les lignes de coudes [46].

a₂ <110> <112> marche a₁ b₂ b₁ ligne de reconstruction

Fig._{4.2 – Sch´ema d’une face (111) de l’or. Le r´eseau hexagonal est d´ecrit par les vecteurs} de base (a1,a2). Les vecteurs de base (b1,b2) de la maille reconstruite sont repr´esent´es.

L’orientation des marches et des lignes de reconstruction est donn´ee.