Faculté des sciences de base SB, Département de physique (Chaire de physique numérique de la matière condensée CPNMC)

Ab initio study of the work functions of elemental metal crystals

Fall, Caspar ; Baldereschi, Alfonso (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1999 ; no 1955.

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    Summary
    This thesis is concerned with the theoretical study of the physical characteristics of metallic surfaces. Ab initio quantum calculations are performed to determine the electronic properties of clean elemental metal surfaces, fully accounting for the material's atomic structure. We aim to understand the atomicscale mechanisms responsible for the dependence of the work function on the surface geometry, including the crystallographic orientation of the surface, the atomic relaxation and reconstruction, as well as the effect of surface edges. We present an accurate method to derive work functions from self-consistent thin-film calculations. By applying a technique based on a macroscopic average, we filter the atomic oscillations in the electronic density to measure precisely the electrostatic potential step at the crystal surface. Combining this quantity with the Fermi energy of a bulk crystal is shown to reduce size effects on the work functions and to yield very precise values. The microscopic origin of the work function anisotropy is studied in sodium, aluminium, copper and gold. For these metals, we find that the trends of increasing work functions for the principal surface orientations reproduce the experimental data and that the trend in aluminium is different from most other metals. The origin of the work function anisotropy is discussed in relation with the orbital character of the electronic states at the Fermi energy. Our study of metal surfaces is extended to the facets of a finite crystal. First-principles studies of the electronic structure of nanowires enable us to obtain the electrostatic potential outside a variety of infinitely-long facet edges. In particular, we determine the microscopic mechanism that allows two different work functions to coexist on either side of a facet edge.
    Résumé
    Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude théorique des surfaces de métaux. Nous calculons de manière quantique, ab initio, les propriétés électroniques de surfaces propres de métaux élémentaires en tenant compte de la structure atomique du matériau. Notre but est de comprendre les mécanismes atomiques responsables de la dépendance du potentiel d'extraction avec la géométrie de la surface, en tenant compte de son orientation cristallographique, de la relaxation et de la reconstruction atomique, ainsi que de l'effet des arêtes cristallines. Nous présentons une méthode stable pour obtenir le potentiel d'extraction à partir de calculs auto-consistants dans une géométrie en couche mince. En appliquant une technique basée sur une moyenne macroscopique, nous pouvons mesurer précisement le saut de potentiel électrostatique à la surface du métal. En combinant cette grandeur avec le niveau de Fermi d'un crystal de taille infinie, nous pouvons réduire les effets de taille sur le potentiel d'extraction et en determiner des valeurs très précises. L'origine microscopique de l'anisotropie du potentiel d'extraction est approfondie pour le sodium, l'aluminium, le cuivre et l'or. Pour ces métaux, nous montrons que les faces principales, classés par potentiel d'extraction croissant, sont dans le même ordre que les valeurs expérimentales et que l'ordre dans l'aluminium est différent que dans la plupart des autres métaux. L'origine de l'anisotropie du potentiel d'extraction est reliée à la nature orbitale des états électroniques au niveau de Fermi. Cette étude de surfaces métalliques est étendue à des facettes cristallines finies. Par des calculs de la structure électronique de nano-fils à partir de principes premiers, nous obtenons la variation du potentiel électrostatique à l'extérieur de plusieurs arêtes cristallines infiniment longues. Nous mettons en évidence le mécanisme microscopique qui permet à deux potentiels d'extraction différents de coexister de part et d'autre d'une même arête.