Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique des nanostructures IPN

Implantation and electron emission in cluster-surface collisions

Seminara, Lucia ; Harbich, Wolfgang (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 2931.

Add to personal list
    Summary
    Microscopic processes induced by the controlled deposition of mass selected silver clusters on graphite (HOPG) and Pt(111) are investigated. The implantation of silver clusters into the HOPG surface is analyzed. The first step consists in a systematic study of the implantation depths of AgN+ (N=1,3,7,9,13) clusters into HOPG, as a function of the cluster size and of the incoming energy. This is achieved by controlling the thermal oxidation of the bombarded graphite surface. This process results in etching of the cluster-induced defects to form pits which grow laterally while maintaining the depth of the implanted cluster. The morphology of the surface is characterized by the STM method, which provides information on the microscopic structure of the examined sample. We observe a scaling of the implantation depth with the momentum of the cluster, in agreement with recent results reported in the literature. In particular, a universal behavior is recognized when scaling the momentum with the cluster projected surface. Within this model, we find that the real geometry of the cluster plays a dominant role. It is also explored whether the single cluster behaves as a sum of independent atoms, or if molecular phenomena are present. In particular, we find molecular effects in the stopping power that the cluster experiences in penetrating the substrate. The electron emission induced by cluster-surface collisions is presented as a function of the two different employed substrates (HOPG and Pt(111)), and of size and energy of the incoming AgN+ (N=1,2,3,4,5,7,8,9) clusters. In order to understand the origin of emitted electrons, we investigate the different electron emission and charge transfer processes during the collision. Emission is observed below the classical threshold and results are interpreted within a recent model based on the semi-localization of valence electrons. The substrate itself plays a role in the electron emission processes, and higher emission yields are measured for clusters impact on the Pt(111) target. Molecular effects are also investigated. For both substrates we find a size-dependent sublinear effect at low velocities and a superlinear effect at higher velocities, similar to the case of hydrogen projectiles reported in the literature. We try to find oscillations in the electron emission yield, which would bear information on the charge-exchange processes during the collision as well as on the electronic structure of the cluster and the substrate. Such oscillations - recently suggested in Meiwes-Broer's work - are not clearly identified in our data.
    Résumé
    Ce travail de thèse est consacré aux processus microscopiques relatifs à la déposition contrôlée d'agrégats d'argent sélectionnés en masse, sur du graphite fortement orienté (HOPG) et du Pt (111). L'implantation d'agrégats d'argent dans la surface du HOPG est étudiée en effectuant une étude systématique de la profondeur d'implantation d'AgN+ (N=1,3,7,9,13) en fonction de la taille des agrégats et de leur énergie d'impact. Ceci est obtenu par contrôle de l'oxydation thermique de la surface de graphite bombardée. Ce processus donne lieu à une attaque des défauts crées par les agrégats, pour former des cavités qui croissent latéralement tout en maintenant leur profondeur initiale. La morphologie de la surface est caractérisée par microscopie à effet tunnel (STM). Une relation directe est observée entre profondeur d'implantation et quantité de mouvement des agrégats, confirmant des résultats récents de la littérature. On a en particulier identifié un comportement universel lorsque la quantité de mouvement des agrégats est normalisée par leur surface projetée. Dans le cadre de ce modèle, il a ainsi été déterminé que la géométrie réelle des agrégats joue un rôle dominant. Il est également examiné si les agrégats individuels se comportent comme une somme d'atomes indépendants ou si des effets moléculaires sont présents. On montre en particulier que ces derniers existent au niveau de la "puissance de freinage" subits par les agrégats lorsqu'ils pénètrent dans le substrat. L'émission électronique provoquée par les collisions agrégats-surface est présentée en fonction du substrat (HOPG et Pt(111)), de la taille, et de l'énergie incidente des agrégats d'AgN+ (N=1,2,3,4,5,7,8,9). Pour étudier l'origine des électrons émis, les différents processus d'émission et de transfert de charge durant les collisions sont analysés. L'émission est observée à des valeurs inférieures au seuil classique et les résultats sont interprétés à la lumière d'un modèle récent basé sur la semi-localisation des électrons de valence. Le substrat a également une importance dans les processus d'émission électronique : des taux d'émissions plus élevés sont mesurés pour les impacts d'agrégats sur Pt(111). On a également vérifié l'influence d'effets moléculaires. Pour les deux substrats, on trouve un effet sous-linéaire à faibles vitesses, et un effet surlin éaire à hautes vitesses, un comportement similaire au cas de projectiles d'hydrogène reporté dans la littérature. On a également cherché à détecter des oscillations au niveau du taux d'émission électronique, qui permettraient de fournir des informations concernant les processus de transfert de charge durant la collision, ainsi que sur la structure électronique des agrégats et des substrats. De telles oscillations, récemment suggérées dans les travaux de Meiwes-Broer, ne sont pas clairement identifiées dans nos mesures.