Substrats d’or déposé sur mica

Alors que le graphite sert de substrat "modèle" pour les expériences d’auto-assemblages, l’or est un matériau plus propice au développement d’applications car largement utilisé dans l’industrie de la microélectronique.

Structure et reconstruction de la surface (111)

L’or est un métal qui a une structure cristalline cubique face centré (cfc). La surface des substrats d’or déposés sur du mica présentent la face cristalline (111) du réseau de Bravais

cfc de l’or. Cette face (111) est la phase dense, elle présente un arrangement compact des atomes en réseau 2D hexagonal centré dont la constante de maille est a = 2.8 Å. La particularité de cette surface est qu’elle montre une reconstruction en chevron en 22 ×√3 (Figure 2.6). Une reconstruction est un arrangement des atomes de surface qui diffère de l’arrangement des atomes au sein du volume, ce qui permet de diminuer l’énergie de surface et d’atteindre l’équilibre thermodynamique. La couche terminale est plus dense que le volume. En effet elle contient 4.5 % d’atomes en plus qu’un plan (111) du volume. Cela revient à une contraction uniaxiale de la maille élémentaire initiale de l’or selon la direction cristallographique <211>. Il en résulte un décalage des réseaux d’atomes entre la dernière et l’avant dernière couche de l’or. Cela amène les atomes de la couche terminale à adopter alternativement un arrangement cfc et hc (hexagonal centré) sur la surface, séparés par des domaines où la symétrie est moindre. Ces domaines de moindre symétrie forment les lignes de reconstruction ayant un contraste clair sur les images STM, ces lignes étant majoritairement alignées suivant la direction <112>. Les lignes de reconstruction vont par paire. Les atomes entre deux lignes d’une même paire adoptent une symétrie hc alors que ceux compris entre deux paires ont une symétrie cfc. La maille reconstruite est rectangulaire et les deux vecteurs qui la composent ont leurs normes correspondant respectivement à 22a et√3a, où a est la distance entre deux atomes d’or adjacents dans le volume. De plus, il est visible sur les images STM que les lignes forment des coudes, d’où le nom de structure en chevron ou en arête de poisson "herringbone". La reconstruction engendre des contraintes sur la surface, du fait de la plus forte densité d’atomes de la couche terminale et de la contraction uniaxiale . Les coudes des lignes de reconstruction sont en fait le lieu de la relaxation élastique de ces contraintes, ce qui permet d’atteindre l’équilibre thermodynamique.

Préparation du substrat

Afin d’obtenir des échantillons pouvant être utilisés pour étudier les auto-assemblages il faut réussir à obtenir des terrasses d’or atomiquement planes et reconstruites. En effet la reconstruction en chevron en 22 ×√3 de la surface Au(111) est très influençable par les adsorbats, sa présence est donc signe de propreté de la surface. L’or est déposé par éva-

Fig. 2.7 – Images de la surface Au(111) à l’interface tétradécane-solide. a) Surface et marches d’or monoatomiques de forme triangulaire Ut = 120 mV ; It = 199 pA; 500 ×

500 nm2 _{b) Surface Au(111) reconstruite, les lamelles de n-tétradécane adsorbées sur la}

surface sont visibles (flèche). Ut= 200 mV ; It= 18 pA; 82.8 × 82.8 nm2

poration dans une enceinte ultra-vide sur une surface de mica fraîchement clivée. Le mica est un matériau lamellaire qui, après clivage, présente une surface atomiquement plane sur laquelle les atomes d’or peuvent adhérer. Par épitaxie les atomes d’or adoptent un arrangement hexagonal compact ce qui entraîne l’obtention d’une surface ayant l’arran- gement d’un plan (111) d’un cristal d’or. Les échantillons utilisés durant cette thèse ont été soit achetés, soit évaporés par nos soins ; dans les deux cas les résultats sont similaires. Les substrats obtenus après évaporation doivent être reconstruits. Pour cela une méthode de flammage a été utilisée. Elle consiste à chauffer l’échantillon à l’aide d’un brûleur au butane jusqu’à l’obtention d’une luminescence rouge du substrat de mica (la température est alors à peu près de 450˚C). Il est particulièrement important de ne pas excéder cette température sous peine de provoquer la sublimation de l’or ou d’induire la diffusion des composants du mica au travers de la fine couche d’or.

Mesures STM

Il faut noter que les terrasses résiduelles monoatomiques présentes sur la surface ont une hauteur de 2.5 Å et sont alignées suivant la direction <112> [63] [64]. Du fait de la

symétrie de la surface, il existe trois directions équivalentes à la direction <112>. Il est donc logique que les terrasses monoatomiques de l’or aient une forme triangulaire, chaque arête formant un angle de 60˚ avec sa plus proche voisine (cf. Figure 2.7a). Les terrasses monoatomiques peuvent s’étendre sur plusieurs centaines de nanomètres carrés. La Figure 2.7b montre une image STM d’une surface d’or lors d’une mesure à l’interface tétradé- cane/solide. Les lignes de la reconstruction en chevron sont visibles en contraste clair. En surimpression on observe une structure lamellaire. La distance entre chaque lamelle est de 2.05 nm ce qui correspond à la taille d’une molécule de tétradécane. On a donc contrairement au graphite une adsorption du tétradécane sur la surface à température ambiante. Mais cette monocouche n’est que faiblement physisorbée sur la surface d’or et lors du dépôt de molécules présentant une meilleure affinité avec la surface les molécules de tétradécane vont se désorber de la surface et laisser la place aux molécules étudiées.