Soutenance mémoire
Structure atomique et électronique du bismuth et de InAs
Bi cristal
Structure cristalline et propriétés
Le bismuth cristallise dans la structure rhomboédrique. Cette structure est typique pour les semimétaux du groupe V [Hofmann06]. Le groupe d’espace de cette structure est R3m.
La maille rhomboédrique est la maille primitive avec 2 atomes par maille (Fig. 1a, en trait vert). Au regard de la maille conventionnelle, celle-ci a une forme hexagonale (a = 4,5332 Å et c = 11,7967 Å) et comporte 6 atomes par maille (Fig. 1a, trait rose en pointillé) [Hofmann06]. Concernant la notation usuelle cristallographique, on préfère se référencer à un repère cartésien défini par l’axe binaire (C2), l’axe bissecteur (C1) et l’axe trigonal (C3). Pour la transformation entre la maille conventionnelle et la maille primitive, on utilise les notations hexagonales équivalentes à celles rhomboédriques (Table I). La direction trigonale de la structure rhomboédrique est l’axe c du réseau hexagonal.
Structure électronique
Il est intéressant de comparer la structure électronique du rhomboèdre Bi à celle de la structure cubique très similaire. Dans le cas cubique, les deux atomes dans la maille rhomboédrique deviennent comparables et la maille contient un seul atome ayant un nombre impair d’électrons (5). On prédit donc que la structure cubique a une bande de valence partiellement remplie et est métallique. Quant à la maille rhomboédrique, le nombre d’électrons de valence est de 10. Cela peut donner lieu à un comportement d’isolant ; pourtant une bande empiète sur le niveau de Fermi, ce qui présage un caractère semi-métallique. Bien que la différence entre ces deux structures soit minime, on peut s’attendre à obtenir une influence majeure sur la structure électronique par un simple changement de la structure en surface.
Les surfaces de bismuth
Bi(111) et Bi(100) ont des états de surface métalliques avec une surface de Fermi plus large et généralement une vitesse de Fermi plus petite que les états de volume, ce qui revient à dire que la densité de charge est plus localisée suivant ces plans. La structure électronique de ces surfaces peut être comprise seulement en incluant le couplage SO.
Bi(111)
Structure atomique
Bi(111) est le plan de clivage naturel et donc est le plan préférentiel pour la croissance en épitaxie, même si il existe des exceptions concernant les couches très minces [Nagao04]. Cette préférence de direction s’explique par la structure en bicouches, parallèles au plan (111). Le cristal est composé de paires de couches proches à trois liaisons covalentes par intra-bicouche par maille. Ces bicouches sont faiblement liées par des liaisons de Van der Waals, comme dans le graphite. En créant la surface, le seul degré de liberté de la structure est la relaxation des distances des intercouches [Mönig05], ce qui donne des clichés DEL (1×1).
La bicouche est conservée sur la surface, comme le confirment des mesures de photoémission [Ast03a]. Sur la surface, la relaxation est proportionnelle à la température et à des températures plus élevées, la relaxation s’atténue [Ramanathan55, Hofmann06, Wells06]. Les calculs sont d’une grande importance afin de montrer que suivant le plan (111) la structure est préservée et est similaire à la structure de volume tronquée.
Structure électronique
Malgré la faible interaction entre les bicouches, la structure de bandes a un aspect tridimensionnel [Liu95]. La première bicouche semble être moins liée au substrat en raison de la perte de symétrie de translation le long de la normale à la surface. Patthey a été un des premiers à observer des états de surface par des mesures de photoémission sur Bi(111) [Patthey94]; ces travaux ont été inspirés par les expériences pionnières de Jezequel [Jezequel86]. Plus récemment, il a été prouvé que la surface de Fermi contient une poche d’électrons hexagonale centrée au point Γ de la zone de Brillouin de surface (SZB) entourée par des poches de trous dans la direction Γ – formant une sorte d’étoile [Hengsberger00, Ast02, Ast04].
Bi(100)
Structure atomique
La structure est composée de couches quasi-hexagonales. Dans chaque couche, un atome a deux voisins équidistants comme pour la surface Bi(111) (4,54Å) et quatre premiers voisins à une distance légèrement plus grande (4,72 Å). La liaison entre premiers voisins est indiquée dans les Figs. 6a et b. La vue de côté (Fig. I-6b) montre qu’il y a deux espacements différents d’intercouche possibles. L’empilement de la structure ressemble à la séquence ABCABC… des couches quasi-hexagonales ; néanmoins la 4ème couche d’atomes est presque alignée, du moins il y a un léger décalage de 0,57Å entre la 1ère et cette 4ème couche [Hofmann05].
Par rapport à Bi(111), la symétrie de surface est très basse. Seul le plan miroir fait office d’élément de symétrie. Il existe des différences importantes entre les surfaces Bi(111) et Bi(100) pour former le cristal Bi(111) : il n’est pas nécessaire de rompre les liaisons covalentes des atomes premiers voisins, contrairement à la surface Bi(100) où une liaison par maille doit être cassée. Par ailleurs, Bi(111) possède une symétrie plus élevée à cause de son axe trigonal et de ces trois plans miroirs .
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I – Etat de l’art
Partie 1 : Structure atomique et électronique du bismuth et de InAs
1.1. Bi cristal
1.1.1. Structure cristalline et propriétés
1.1.2. Structure électronique
1.2. Les surfaces de bismuth
1.2.1. Bi(111)
1.2.1.1. Structure atomique
1.2.1.2. Structure électronique
1.2.2. Bi(100)
1.2.2.1. Structure atomique
1.2.2.2. Structure électronique
1.3. Surface de InAs
1.3.1. Surface InAs(100)
1.3.2. InAs(111)-B
1.3.3. InAs(111)-A (2×2)
Partie 2 : Couche mince Bi/InAs et gaz-2D
1.4. Bi/InAs(111)
1.4.1. Structure atomique
1.4.2. Structure électronique
1.5. Bi/InAs(100)
1.5.1. Structure atomique
1.5.2. Structure électronique
1.6. Gaz d’électrons bidimensionnel
1.6.1. Les états de surface et le niveau de neutralité de charge
1.6.2. Création du Gaz-2D d’électron en surface
Chapitre II – Techniques Expérimentales
1. Photoémission
1.1. Introduction historique
1.2. Libre parcours moyen des électrons
1.3. Modèle à trois étapes
1.3.1. Photo-excitation de l’électron dans le solide
1.3.2. Propagation du photoélectron vers la surface
1.3.3. Traversée de la barrière de potentiel de surface et déplacement de l’électron dans le vide
1.4. Analyseur d’énergie d’électron
2. Diffraction d’électrons
2.1. Diffraction d’électrons lents (DEL)
2.1.1. Principe
2.1.2. Instrumentation
2.1.3. Interprétation physique
2.2. Diffraction d’électrons rapides sous incidence rasante (RHEED)
2.2.1. Principe
2.2.2. Analyse de diagramme
3. Spectroscopie Auger (AES)
3.1. Introduction
3.2. Principe
3.3. Traitement du signal lors de l’analyse AES
3.4. Intensité du signal Auger
Chapitre III – Bi/InAs(100)
3.1. Elaboration et caractérisation des échantillons
3.1.1. Surface de InAs
3.1.2. Dépôt de Bi
3.2. Spectroscopie des niveaux de cœur
3.2.1. Introduction
3.2.2. Simulation des spectres : approche mathématique
3.2.3. Simulation des niveaux de cœur mesurés
3.2.3.1. Surface de InAs(100) (4×2)
3.2.3.2. Surface de Bi/InAs(100)
3.3. Spectroscopie des bandes de valence Bi / InAs(100)
3.3.1 Règles de sélection et configuration de l’expérience
3.3.2. Surface propre InAs(100)(4×2) / c(8×2)
3.3.3 Bi / InAs(100)
3.3.3.1 Etat résonant
3.3.3.2 Couche d’accumulation
3.3.3.3 Etats électroniques de Bi
Chapitre IV – Bi/InAs(111)
4.1. Elaboration et caractérisation des échantillons
4.1.1. Surface propre
4.1.2. Dépôt de Bi
4.2. Simulation des niveaux de cœur
4.2.1. InAs(111)A (2×2) et InAs(111)B (1×1) par BIR
4.2.2. Interfaces Bi/InAs(111)
4.2.2.1. Surface A préparée par BIR
4.2.2.2. Surface B préparée par BIR
4.2.2.3. Echantillons préparés par EJM
4.3. Spectroscopie des bandes de valence Bi/InAs(111) A et B
4.3.1. Surface propre
4.3.2. Formation du monocristal de Bi
4.3.2.1. Dispersion au voisinage de Γ et M
4.3.2.2. Surface de Fermi au voisinage de Γ
4.3.3. Formation d’un monocristal de Sb sur le film Bi/InAs(111)-A
4.3.4. La couche d’accumulation aux surfaces Bi/InAs(111)A et B (2×2)
Conclusion Générale
Bibliographie
