Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique des nanostructures IPN (Laboratoire de science à l'échelle nanométrique LSEN)

Investigation of low-dimensional supramolecular architectures by low-temperature scanning tunneling microscopy

Clair, Sylvain ; Barth, Johannes (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3080.

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    Summary
    In this thesis we report investigations on supramolecular architectures assembled at well-defined metal surfaces. Supramolecular chemistry is dedicated to the study and use of non-covalent interactions to build highly organized molecular arrangements, aiming ultimately at creating systems with tailored properties and useful functions. The adaptation of its powerful principles to fabricate molecular systems at surfaces has already been proven to be very promising; the extended possibilities for the choice of on the one hand molecules with defined size, shape, symmetry and function, and on the other hand substrates with controlled composition, symmetry and patterning allow for a quasi-infinite tuning of the structure and properties of the respective assemblies. The Scanning Tunneling Microscope (STM) is a tool particularly efficient for the nanoscale elucidation of supramolecular systems at surfaces, simultaneously providing topographic and spectroscopic information at the single-atom level. In this regard, a new Low-Temperature STM (LT-STM) operational at temperatures in the range 5 to 400 K has been constructed. A detailed description of the instrument is provided and the demonstration of its exquisite performance represents a major achievement. In addition to local STM studies, complementary experiments were performed with a synchrotron radiation source using integral techniques, namely X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) and X-ray Magnetic Circular Dichroism (XMCD). We present results obtained with the linear organic linker 1,4-benzenedicarboxylic acid (terephthalic acid - TPA) on the Au(111), Cu(111) and Cu(100) surfaces. The three-dimensional design principles of supramolecular chemistry could be successfully adapted to these low-dimensional systems. TPA molecules adsorbed on Au(111) organize in two-dimensional molecular sheets, wherein the typical one-dimensional hydrogen-bonded chain motif is found. We show that the inhomogeneities induced by the surface reconstruction can be used to examine the response of the supramolecular self-assembly. In particular, variations in the hydrogen bond length of up to 20% are encountered. On Cu(111), a strict commensurability of the supramolecular sheet to the substrate is not possible because of the reduced lattice spacing of the latter, and the creation of defects is analyzed. Due to their peculiar reactivity, the elbow sites of the reconstructed Au(111) surface act as nucleation centers in the epitaxial growth of transition metals (Fe, Co, Ni), leading to the formation of regular arrays of nanoscale metallic islands. We take advantage of this patterning to steer the formation of metallosupramolecular nano-architectures. Co-deposited TPA molecules attack both Fe and Co clusters and metal-carboxylate linkages evolve. Depending on the deposition parameters, nanoporous grids, mesoscopically organized stripes or truly one-dimensional linkages are obtained. Furthermore, the dynamics of the formation of the nanogrids are monitored in situ. Finally, we report investigations of the magnetic and electronic properties of surface-supported coordination architectures by means of XAS and XMCD. We studied Fe-terephthalate systems engineered on a Cu(100) substrate. Both mononuclear Fe(TPA)4 compounds and diiron centers structures in 2D Fe-TPA lattices exhibit a paramagnetic behavior. Moreover, we demonstrate the decisive influence of the ligand rather than the substrate on the electronic ground state of the metal centers, thus illustrating new vistas to effectively tailor the valence state and magnetic moment of transition metal atoms at surfaces.
    Résumé
    Dans ce rapport de thèse nous présentons les résultats obtenus avec des architectures supramoléculaires assemblées sur des surfaces de monocristaux de métaux nobles. La chimie supramoléculaire est dédiée à l'étude et à l'utilisation d'interactions non covalentes pour la fabrication de systèmes hautement organisés, avec pour but ultime la création d'assemblages fonctionalisés aux propriétés contrôlées. L'adaptation de ses principes productifs à des molécules sur des surfaces s'est déjà avérée être très prometteuse; l'étendue des possibilités pour le choix d'une part de molécules de taille, forme, symétrie et fonctionalité bien définies, et d'autre part d'un substrat possédant une composition, une symétrie et une texturation données, permet de diriger la structure et les propriétés de tels ensembles. Le microscope électronique à effet tunnel (STM) est un outil particulièrement bien adapté pour l'étude nanométrique de systèmes supramoléculaires sur des surfaces, puisqu'il procure à la fois des informations topographiques et spectroscopiques au niveau de l'atome unique. Nous avons donc entrepris la construction d'un nouveau microscope opérationnel dans la gamme de température 5 à 400 K (LT-STM). La description détaillée de l'instrument est fournie, et la démonstration de ses hautes performances représente un résultat important pour cette thèse. Parallèlement aux études à l'échelle moléculaire par STM, nous avons effectué des mesures complémentaires avec deux techniques utilisant une source de rayonnement synchrotron, la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) et le dichroïsme circulaire magnétique des rayons X (XMCD). Les résultats présentés ont été obtenus avec la molécule d'acide benzène-1,4-dicarboxylique (acide téréphtalique - TPA) sur les surfaces Au(111), Cu(111) et Cu(100). Les principes d'assemblage tridimensionnel de la chimie supramoléculaire ont pu être adaptés avec succès à ces systèmes de basse dimensionnalité. Les molécules de TPA adsorbées sur Au(111) s'organisent en couches bidimensionnelles dans lesquelles on retrouve le motif typique de liaison par chaîne unidimensionnelle. Nous montrons que les inhomogénéités dues à la reconstruction de surface peuvent être utilisées pour étudier la réponse de l'auto-assemblage supramoléculaire. En particulier, nous trouvons des variations de la longueur des liaisons hydrogène jusqu'à 20%. Sur la surface Cu(111), qui possède un paramètre de maille réduit par rapport à Au(111), la stricte commensurabilité de la couche supramoléculaire avec le substrat n'est pas réalisée, et la formation de défauts est analysée. Dû à leur réactivité particulière, les coins de la reconstruction de la surface Au(111) agissent comme centres de nucléation pour la croissance épitaxiale de métaux de transition, ce qui mène pour de faibles taux de couverture à la formation de réseaux réguliers d'îlots métalliques nanométriques. Nous utilisons cette structuration de surface pour diriger la fabrication de nano-architectures métallosupramoléculaires. Les molécules de TPA codéposées attaquent les agrégats de Fe et de Co pour former des liaisons métal-carboxylate. En fonction des paramètres de dépôt nous contrôlons la fabrication de grilles nano-poreuses, de bandes mésoscopiques ordonnées, ou de lignes strictement unidimensionnelles. De plus, la dynamique de formation des nano-grilles est suivie in situ. Dans une dernière partie nous présentons les premières charactérisations des propriétés magnétiques et électroniques d'architectures métallo-organiques sur des surfaces par XAS et XMCD. Nous avons étudié des systèmes Fe-téréphtalate réalisés sur un substrat de Cu(100). Les composés mononucléaires Fe(TPA)4 ainsi que les structures en réseau 2D à deux centres de Fe sont paramagnétiques. De plus, nous démontrons l'influence décisive du ligand, par comparaison au substrat, sur l'état électronique fondamental des centres métalliques. Ce résultat ouvre la voie à une grande variété de possibilités pour contrôler efficacement l'état de valence et le moment magnétique d'atomes de métaux de transition sur des surfaces.