Département de physique (Laboratoire de nanostructures en matrices LNM)

Déposition d'atomes et d'agrégats d'argent triés en taille sur le palladium (100) : une étude par diffusion d'hélium

Félix, Christian ; Monot, René (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1995 ; no 1386.

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    Summary
    The aim of this research project is to study the deposition of thermal atoms and small ionised clusters on well defined surfaces. For this, an installation has been developed at the Institut de Physique Expérimentale to produce mass selected ionic metal clusters using a sputtering source and to deposit them on well defined metallic surfaces. The chosen investigation method is Thermal Energy Atom Scattering (TEAS), a specularly reflected helium beam probes the surface and offers a very high sensitivity to the surface point defects; this is an absolutely non perturbative technique and an in-situ and in-time monitoring of the deposition. The principle of the method consists of using the difference in size between a point defect (like for example an adatom) and its cross section for the specular beam (which is about ten times larger). When two adatoms meet to form a dimer for example, their cross section overlap, which results in an increase in the reflected helium beam. As a first step we studied the deposition of atoms evaporated from a Knudsen cell. The small incident kinetic energy related to thermal evaporation insures that they do not create defects in the substrate (vacancies, implanted or interstitial atoms). So we studied the deposition and the very first steps of the nucleation and growth of Ag on Pd(100). For this we developped a new method that studies the form of the specularly reflected helium signal as a function of coverage: the signal is compared to a theoretical signal which is computed by resolving a system of rate equations. We found that even at a temperature much lower than the temperature at which the Ag adatoms become thermally mobile on the Pd(100) surface (typically 160 K), there is a neighbor driven mobility of the atoms on the substrate. Silver adatoms are not stable if they are too close to each other or to close to a cluster, they move towards already existing particles [VFM+94b]. The dynamical behavior of the adparticle has also been studied with the same method, by solving the nucleation and growth rate equations for small particles. The diffusion parameters (activation barrier Ed = 0.37 ± 0.03 eV and pre-exponential factor ν0 = 8 109 s-1) have been extracted for the system Ag on Pd(100) [FVH+95]. The structure of the particles and the damage creation due to the impact of the ionised Ag particles (Edep= 20 and 95 eV) have also been studied by TEAS. It is the first experimental work that studied specifically the structural problems due to the deposition of small clusters. We deposited Ag1+, Kr+, Ag7+ and Ag19+ in well defined conditions (low and controlled contamination of the surface, precise calibration of the cluster current density in the probed area). The main results are the following [VFM+94a, VFM+95, VFG+95]: Ag1+ Many defects are created by the deposition of these particles (implanted atoms, surface vacancies, substrate adatoms ejected from the first surface layers). Most of these defects are annealed at 350 K except the Ag atoms implanted in the first surface layer that are still stable at this temperature. Ag7+ There are still a great number of surface defects produced by the impact of these particles even if the impact energy per particle is reduced. A mean number of four atoms seem to be implanted for an impact energy of Edep = 95 eV whereas only one particle is implanted at Edep = 20 eV. The rest of the cluster atoms are severely fragmented over large distances. Ag19+ Although the impinging clusters are lightly fragmented they seem to recombine as soon as the mobility of the adatoms is active. Between Ts = 200 and 300 K, one observes a slow dynamical change of the surface that we attribute to a compactification of the clusters. At higher surface temperature, one observes the destruction of these structures by a 2-dimensional evaporation. Molecular Dynamics simulations of the impact of atoms and clusters of our system are in good agreement with the experimental results, except for the fragmentation of incident Ag particles and the low temperature mobility.
    Résumé
    Le but de ce projet de recherche est d'étudier la déposition d'atomes thermiques et de petits agrégats sélectionnés en taille sur une surface bien définie. Pour cela, une installation a été développée à l'Institut de Physique Expérimentale (IPE) pour produire des agrégats métalliques triés en masse, avec une source à bombardement ionique, et les déposer sur des surfaces métalliques bien caractérisées. La méthode d'investigation choisie est la diffusion d'hélium (TEAS): un jet d'hélium diffusé spéculairement sonde la surface et offre une très grande sensibilité aux défauts ponctuels de surface; il s'agit là d'une technique parfaitement non perturbative et qui permet un contrôle en temps réel et in-situ de la déposition. Le principe de la mesure consiste à utiliser la différence de taille entre un défaut ponctuel de surface (comme par exemple un adatome) et sa section efficace pour la destruction du signal spéculaire d'hélium (environ dix fois plus grande). Lorsque deux adatomes se rencontrent et forment un dimère par exemple, leurs sections efficaces se recouvrent, ce qui résulte en une augmentation du signal d'hélium réfléchi. Dans un premier temps nous avons étudié la déposition d'atomes produits par évaporation d'un four. La faible énergie incidente dont ils disposent, nous assure qu'ils ne créent pas de défauts dans le substrat (lacunes, atomes implantés ou interstitiels). Ainsi nous avons étudié la déposition et les toutes premières étapes de la nucléation d'Ag sur du Pd(100). Pour ce faire nous avons développé une nouvelle méthode qui étudie la forme du signal spéculaire d'hélium au cours de la déposition: le signal est comparé à un signal théorique que l'on calcule en résolvant des équations de bilan (rate equations). Nous avons trouvé qu'à des températures bien plus basses que la température à laquelle les adatomes d'Ag deviennent mobiles sur les terrasses du Pd(100) (typiquement 160 K), il existe une mobilité activée par la proximité (neighbor driven mobility) des atomes sur le substrat. Les atomes d'argent ne sont pas stables s'ils sont trop proches les uns des autres ou d'un agrégat, ils bougent en direction d'une particule déjà existante [VFM+94b]. Le comportement dynamique des adatomes d'Ag a aussi été étudié par la même méthode, en résolvant des équations de nucléation et de croissance pour des petites particules. Les paramètres de diffusion (barrière d'activation Ed = 0.37 ± 0.03 eV et facteur pré-exponentiel ν0 = 8 109 s-1) ont été extraites pour le système Ag sur Pd(100) [FVH+95]. La structure des particules et la création de défauts dues à l'impact de petites particules d'Ag ionisées (Edep= 20 and 95 eV) ont également été étudiées par TEAS. C'est le premier travail expérimental qui a étudié spécifiquement les problèmes structurels liés à la déposition de petits agrégats. Nous avons déposé les particules suivantes Ag1+, Kr+, Ag7+ et Ag19+ dans des conditions bien définies (contamination faible et contrôlée de la surface, calibration précise de la densité de courant d'agrégats dans la région sondée par l'hélium). Les résultats principaux sont les suivants [VFM+94a, VFM+95, VFG+95]: Ag1+ Beaucoup de défauts sont créés par l'impact de ces particules (atomes implantés, lacunes de surface, atomes du substrat éjectés des premières couches de surface). La plupart de ces défauts sont recuits à 350 K excepté les atomes d'Ag implantés dans la première couche de surface qui sont encore stables à cet te température. Ag7+ Il y a toujours un grand nombre de défauts de surface produits par l'impact de ces particules, même si l'énergie d'impact par atome est réduite. Un nombre moyen de quatre atomes semblent être implantés à une énergie incidente de Edep = 95 eV, alors que seul un atome est implanté à Edep = 20 eV. Le reste des atomes de l'agrégat sont très fragmentés et répartis sur de grandes distances. Ag19+ Les agrégats incidents bien que légèrement fragmentés, se recombinent dès que la mobilité des adatomes est active. Entre Ts = 200 et 300 K, on observe une dynamique lente que nous attribuons à une compactification des agrégats. A plus haute température, on observe une destruction des ces structures par évaporation 2-dimensionnelle. Des simulations de Dynamique Moléculaire de l'impact d'atomes et d'agrégats pour notre système sont en bon accord avec les résultats expérimentaux, sauf pour ce qui concerne la fragmentation des particules d'Ag incidentes et la mobilité à basse température.