Point defects and texture of Pd1-xInx sputtered intermetallic thin films

Pd1-xInx thin films (0.4 < x < 0.56) were prepared by radio frequency sputtering from a multi-zone target. The properties of these Hume-Rothery alloys were studied by X-ray diffractometry, electron probe microanalysis and scanning tunneling microscopy. The diffraction spectra were analyzed to obtain the intensity ratio of the (100) superlattice line to the (200) normal line, together with the variations of the lattice constant. The results ape explained quantitatively by a model based on point defects, i.e. Pd vacancies in In-rich films and Pd antisite atoms in Pd-rich films. In-rich films grow preferentially in the [100] direction while Pd-rich films grow preferentially in the [110] direction. The grains in indium-rich sputtered films appear to be enclosed in an atomically thick, indium-rich layer. The role of texture and the influence of point defects on electrical resistivity is also reported. (C) 1996 Elsevier Science Limited.

Evidence for oxygen-island formation on Al(111): Cluster-model theory and x-ray photoelectron spectroscopy

The O 1s x-ray photoelectron spectroscopy spectrum for Al(111)/O at 300 K shows two components whose behavior as a function of time and variation of detection angle are consistent with either (a) a surface species represented by the higher binding-energy (BE) component and a subsurface species represented by the lower BE component, or (b) small close-packed oxygen islands with the interior atoms represented by the lower BE component and the perimeter atoms by the higher BE component. We have modeled both situations using ab initio Hartree-Fock wave functions for clusters of Al and O atoms. For an O atom in a threefold site, it was found that a below-surface position gave a higher O 1s BE than an above-surface position, incompatible with interpretation (a). This change in the O 1s BE could arise because the bond for O to Al may have a more covalent character when the O is below the surface than when it is above the surface. We present evidence consistent with this view. An O adatom island with all the O atoms in threefold sites gives calculated O 1s BE's which are significantly higher for the perimeter O atoms. Further, the results for an isolated O island without the Al substrate present also give higher BE¿s for the perimeter atoms. Both these results are consistent with interpretation (b). Published scanning-tunneling-microscopy data supports the suggestion that the chemisorbed state consists of small, close-packed islands, whereas the presence of two vibrational modes in high-resolution electron-energy-loss spectroscopy data has been interpreted as representing surface and subsurface oxygen atoms. In light of the present results, we suggest that a vibrational interpretation in terms of interior and perimeter adatoms should be considered.

MgO/Ag(001) interface structure and STM images from first principles

The interface of MgO/Ag(001) has been studied with density functional theory applied to slabs. We have found that regular MgO films show a small adhesion to the silver substrate, the binding can be increased in off-stoichiometric regimes, either by the presence of O vacancies at the oxide film or by a small excess of O atoms at the interface between the ceramic to the metal. By means of theoretical methods, the scanning tunneling microscopy signatures of these films is also analyzed in some detail. For defect free deposits containing 1 or 2 ML and at low voltages, tunnelling takes place from the surface Ag substrate, and at large positive voltages Mg atoms are imaged. If defects, oxygen vacancies, are present on the surface of the oxide they introduce much easier channels for tunnelling resulting in big protrusions and controlling the shape of the image, the extra O stored at the interface can also be detected for very thin films.

Oxygen vacancies as active sites for water dissociation on rutile TiO2(110)

Through an interplay between scanning tunneling microscopy experiments and density functional theory calculations, we determine unambiguously the active surface site responsible for the dissociation of water molecules adsorbed on rutile TiO2(110). Oxygen vacancies in the surface layer are shown to dissociate H2O through the transfer of one proton to a nearby oxygen atom, forming two hydroxyl groups for every vacancy. The amount of water dissociation is limited by the density of oxygen vacancies present on the clean surface exclusively. The dissociation process sets in as soon as molecular water is able to diffuse to the active site.

Bonding of gold nanoclusters to oxygen vacancies on rutile TiO2(110)

Through an interplay between scanning tunneling microscopy (STM) and density functional theory (DFT) calculations, we show that bridging oxygen vacancies are the active nucleation sites for Au clusters on the rutile TiO2(110) surface. We find that a direct correlation exists between a decrease in density of vacancies and the amount of Au deposited. From the DFT calculations we find that the oxygen vacancy is indeed the strongest Au binding site. We show both experimentally and theoretically that a single oxygen vacancy can bind 3 Au atoms on average. In view of the presented results, a new growth model for the TiO2(110) system involving vacancy-cluster complex diffusion is presented.

Studies of Eu- and Yb-induced Reconstructions on the Si(100) Surface

This thesis presents experimental studies of rare earth (RE) metal induced structures on Si(100) surfaces. Two divalent RE metal adsorbates, Eu and Yb, are investigated on nominally flat Si(100) and on vicinal, stepped Si(100) substrates. Several experimental methods have been applied, including scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS), low energy electron diffraction (LEED), synchrotron radiation photoelectron spectroscopy (SR-PES), Auger electron spectroscopy (AES), thermal desorption spectroscopy (TDS), and work function change measurements (Δφ). Two stages can be distinguished in the initial growth of the RE/Si interface: the formation of a two-dimensional (2D) adsorbed layer at submonolayer coverage and the growth of a three-dimensional (3D) silicide phase at higher coverage. The 2D phase is studied for both adsorbates in order to discover whether they produce common reconstructions or reconstructions common to the other RE metals. For studies of the 3D phase Yb is chosen due to its ability to crystallize in a hexagonal AlB2 type lattice, which is the structure of RE silicide nanowires, therefore allowing for the possibility of the growth of one-dimensional (1D) wires. It is found that despite their similar electronic configuration, Eu and Yb do not form similar 2D reconstructions on Si(100). Instead, a wealth of 2D structures is observed and atomic models are proposed for the 2×3-type reconstructions. In addition, adsorbate induced modifications on surface morphology and orientational symmetry are observed. The formation of the Yb silicide phase follows the Stranski-Krastanov growth mode. Nanowires with the hexagonal lattice are observed on the flat Si(100) substrate, and moreover, an unexpectedly large variety of growth directions are revealed. On the vicinal substrate the growth of the silicide phase as 3D islands and wires depends drastically on the growth conditions. The conditions under which wires with high aspect ratio and single orientation parallel to the step edges can be formed are demonstrated.

Unusual bismuth-containing surface layers of III-V compound semiconductors

The understanding and engineering of bismuth (Bi) containing semiconductor surfaces are signi cant in the development of novel semiconductor materials for electronic and optoelectronic devices such as high-e ciency solar cells, lasers and light emitting diodes. For example, a Bi surface layer can be used as a surfactant which oats on a III-V compound-semiconductor surface during the epitaxial growth of IIIV lms. This Bi surfactant layer improves the lm-growth conditions if compared to the growth without the Bi layer. Therefore, detailed knowledge of the properties of the Bi/III-V surfaces is needed. In this thesis, well-de ned surface layers containing Bi have been produced on various III-V semiconductor substrates. The properties of these Bi-induced surfaces have been measured by low-energy electron di raction (LEED), scanning-tunneling microscopy and spectroscopy (STM), and synchrotron-radiation photoelectron spectroscopy. The experimental results have been compared with theoretically calculated results to resolve the atomic structures of the studied surfaces. The main ndings of this research concern the determination of the properties of an unusual Bi-containing (2×1) surface structure, the discovery and characterization of a uniform pattern of Bi nanolines, and the optimization of the preparation conditions for this Bi-nanoline pattern.

Research and development of III-V semiconductor surfaces for improved device interfaces

This thesis is devoted to understanding and improving technologically important III-V compound semiconductor (e.g. GaAs, InAs, and InSb) surfaces and interfaces for devices. The surfaces and interfaces of crystalline III-V materials have a crucial role in the operation of field-effect-transistors (FET) and highefficiency solar-cells, for instance. However, the surfaces are also the most defective part of the semiconductor material and it is essential to decrease the amount of harmful surface or interface defects for the next-generation III-V semiconductor device applications. Any improvement in the crystal ordering at the semiconductor surface reduces the amount of defects and increases the material homogeneity. This is becoming more and more important when the semiconductor device structures decrease to atomic-scale dimensions. Toward that target, the effects of different adsorbates (i.e., Sn, In, and O) on the III-V surface structures and properties have been investigated in this work. Furthermore, novel thin-films have been synthesized, which show beneficial properties regarding the passivation of the reactive III-V surfaces. The work comprises ultra-high-vacuum (UHV) environment for the controlled fabrication of atomically ordered III-V(100) surfaces. The surface sensitive experimental methods [low energy electron diffraction (LEED), scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS), and synchrotron radiation photoelectron spectroscopy (SRPES)] and computational density-functionaltheory (DFT) calculations are utilized for elucidating the atomic and electronic properties of the crucial III-V surfaces. The basic research results are also transferred to actual device tests by fabricating metal-oxide-semiconductor capacitors and utilizing the interface sensitive measurement techniques [capacitance voltage (CV) profiling, and photoluminescence (PL) spectroscopy] for the characterization. This part of the thesis includes the instrumentation of home-made UHV-compatible atomic-layer-deposition (ALD) reactor for growing good quality insulator layers. The results of this thesis elucidate the atomic structures of technologically promising Sn- and In-stabilized III-V compound semiconductor surfaces. It is shown that the Sn adsorbate induces an atomic structure with (1×2)/(1×4) surface symmetry which is characterized by Sn-group III dimers. Furthermore, the stability of peculiar ζa structure is demonstrated for the GaAs(100)-In surface. The beneficial effects of these surface structures regarding the crucial III-V oxide interface are demonstrated. Namely, it is found that it is possible to passivate the III-V surface by a careful atomic-scale engineering of the III-V surface prior to the gate-dielectric deposition. The thin (1×2)/(1×4)-Sn layer is found to catalyze the removal of harmful amorphous III-V oxides. Also, novel crystalline III-V-oxide structures are synthesized and it is shown that these structures improve the device characteristics. The finding of crystalline oxide structures is exploited by solving the atomic structure of InSb(100)(1×2) and elucidating the electronic structure of oxidized InSb(100) for the first time.

Interaction between vortices and impurities in a d-wave superconductor /

High temperature superconductors were discovered in 1986, but despite considerable research efforts, both experimental and theoretical, these materials remain poorly understood. Because their electronic structure is both inhomogeneous and highly correlated, a full understanding will require knowledge of quasiparticle properties both in real space and momentum space. In this thesis, we will present a theoretical analysis of the scanning tunneling microscopy (STM) data in BSCCO. We introduce the Bogoliubov-De Gennes Hamiltonian and solve it numerically on a two-dimensional 20 x 20 lattice under a magnetic field perpendicular to the surface. We consider a vortex at the center of our model. We introduce a Zn impurity in our lattice as a microscopic probe of the physical properties of BSCCO. By direct numerical diagonalization of the lattice BogoliubovDe Gennes Hamiltonian for different positions of the impurity, we can calculate the interaction between the vortex and the impurity in a d-wave superconductor.

Contrôle de l'organisation moléculaire en 2D et 3D par l’utilisation de liaisons hydrogène, de coordination métallique et d'autres interactions

La stratégie de la tectonique moléculaire a montré durant ces dernières années son utilité dans la construction de nouveaux matériaux. Elle repose sur l’auto-assemblage spontané de molécule dite intelligente appelée tecton. Ces molécules possèdent l’habilité de se reconnaitre entre elles en utilisant diverses interactions intermoléculaires. L'assemblage résultant peut donner lieu à des matériaux moléculaires avec une organisation prévisible. Cette stratégie exige la création de nouveaux tectons, qui sont parfois difficiles à synthétiser et nécessitent dans la plupart des cas de nombreuses étapes de synthèse, ce qui empêche ou limite leur mise en application pratique. De plus, une fois formées, les liaisons unissant le corps central du tecton avec ces groupements de reconnaissance moléculaire ne peuvent plus être rompues, ce qui ne permet pas de remodeler le tecton par une procédure synthétique simple. Afin de contourner ces obstacles, nous proposons d’utiliser une stratégie hybride qui se sert de la coordination métallique pour construire le corps central du tecton, combinée avec l'utilisation des interactions plus faibles pour contrôler l'association. Nous appelons une telle entité métallotecton du fait de la présence du métal. Pour explorer cette stratégie, nous avons construit une série de ligands ditopiques comportant soit une pyridine, une bipyridine ou une phénantroline pour favoriser la coordination métallique, substitués avec des groupements diaminotriazinyles (DAT) pour permettre aux complexes de s'associer par la formation de ponts hydrogène. En plus de la possibilité de créer des métallotectons par coordination, ces ligands ditopiques ont un intérêt intrinsèque en chimie supramoléculaire en tant qu'entités pouvant s'associer en 3D et en 2D. En parallèle à notre étude de la chimie de coordination, nous avons ii examiné l'association des ligands, ainsi que celle des analogues, par la diffraction des rayons-X (XRD) et par la microscopie de balayage à effet tunnel (STM). L'adsorption de ces molécules sur la surface de graphite à l’interface liquide-solide donne lieu à la formation de différents réseaux 2D par un phénomène de nanopatterning. Pour comprendre les détails de l'adsorption moléculaire, nous avons systématiquement comparé l’organisation observée en 2D par STM avec celle favorisée dans les structures 3D déterminées par XRD. Nous avons également simulé l'adsorption par des calculs théoriques. Cette approche intégrée est indispensable pour bien caractériser l’organisation moléculaire en 2D et pour bien comprendre l'origine des préférences observées. Ces études des ligands eux-mêmes pourront donc servir de référence lorsque nous étudierons l'association des métallotectons dérivés des ligands par coordination. Notre travail a démontré que la stratégie combinant la chimie de coordination et la reconnaissance moléculaire est une méthode de construction rapide et efficace pour créer des réseaux supramoléculaires. Nous avons vérifié que la stratégie de la tectonique moléculaire est également efficace pour diriger l'organisation en 3D et en 2D, qui montre souvent une homologie importante. Nous avons trouvé que nos ligands hétérocycliques ont une aptitude inattendue à s’adsorber fortement sur la surface de graphite, créant ainsi des réseaux organisés à l'échelle du nanomètre. L’ensemble de ces résultats promet d’offrir des applications dans plusieurs domaines, dont la catalyse hétérogène et la nanotechnologie. Mots clés : tectonique moléculaire, interactions intermoléculaires, stratégie hybride, coordination métallique, diffraction des rayons-X, microscopie de balayage à effet tunnel, graphite, phénomène de nanopatterning, calculs théoriques, ponts hydrogène, chimie supramoléculaire, ligands hétérocycliques, groupements DAT, catalyse hétérogène, nanotechnologie.

Molecular tectonics : supramolecular 2D nanopatterning of surfaces by self-assembly

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude de l’association supramoléculaire bi- et tridimensionnelle d’oximes et d’hydrazones trigonales

Les concepts de la chimie supramoléculaire peuvent être exploités avantageusement pour contrôler la structure et les propriétés des matériaux moléculaires. Dans une approche productive, les composantes moléculaires du matériau peuvent être choisies pour pouvoir s'engager dans des interactions fortes et prévisibles avec leurs voisins. Cette stratégie, appelée la tectonique moléculaire, est caractérisée par la préparation de molécules particulières appelées tectons (du grec tectos, qui signifie constructeur) qui, par design rationnel, s’associent de manière prévisible via de multiples interactions non-covalentes afin de générer l’architecture désirée. Ce processus est réversible et guidé par la présence de fonctions chimiques complémentaires, appelées groupements de reconnaissance, qui sont orientées de manière à conférer un aspect directionnel aux interactions intermoléculaires. Ceci permet de positionner les molécules voisines de façon prédéterminée. Les contraintes imposées par les interactions s’opposent souvent à la tendance naturelle des molécules à former une structure compacte et permettent donc à d'autres molécules invitées d’occuper un volume appréciable dans le matériau, sans toutefois contribuer directement à l'architecture principale. Appliquée à la cristallisation, cette approche peut générer des cristaux poreux, analogues aux zéolites. Les ponts hydrogène offrent une interaction non-covalente de choix dans cette stratégie car ils sont forts et directionnels. L’exploration d’une multitude de fonctions chimiques connues pour pouvoir participer à la formation de ponts hydrogène a permis de créer une grande diversité de nouveaux matériaux lors de l’évolution du domaine du génie cristallin. Une molécule classique, qui illustre bien la stratégie tectonique et qui a eu un fort impact dans le domaine de la chimie supramoléculaire, est l’acide 1,3,5-benzènetricarboxylique, communément appelé acide trimésique. L’acide trimésique donne une orientation trigonale à trois groupements carboxyles, favorisant ainsi la formation d'un réseau hexagonal retenu par ponts hydrogène. Nous avons visé une modification dans laquelle les groupements -COOH de l'acide trimésique sont remplacés par deux autres groupements de reconnaissance, jusqu’ici peu exploités en chimie supramoléculaire, l’oxime et l’hydrazone. Nous rapportons la synthèse et la cristallisation de différentes trioximes et trihydrazones analogues à l'acide trimésique. Les cristaux obtenus ont été analysés par diffraction des rayons-X et leurs structures ont été déterminées. L’auto-assemblage de différentes trioximes et trihydrazones en 2D par adsorption sur graphite a également été étudié en utilisant la microscopie à balayage à effet tunnel. Nos résultats nous permettent de comparer l'organisation en 2D et en 3D de différents analogues de l'acide trimésique.

Organisation moléculaire dirigée par le groupe CONH2 en 2D et 3D

Notre étude a pour objet la conception, la synthèse ainsi que l’étude structurale d’architectures supramoléculaires obtenues par auto-assemblage, en se basant sur les concepts de la tectonique moléculaire. Cette branche de la chimie supramoléculaire s’occupe de la conception et la synthèse de molécules organiques appelées tectons, du grec tectos qui signifie constructeur. Le tecton est souvent constitué de sites de reconnaissance branchés sur un squelette bien choisi. Les sites de reconnaissance orientés par la géométrie du squelette peuvent participer dans des interactions intermoléculaires qui sont suffisamment fortes et directionnelles pour guider la topologie du cristal résultant. La stratégie envisagée utilise des processus d'auto-assemblage engageant des interactions réversibles entre les tectons. L’auto-assemblage dirigé par de fortes interactions intermoléculaires directionnelles est largement utilisé pour fabriquer des matériaux dont les composants doivent être positionnés en trois dimensions (3D) d'une manière prévisible. Cette stratégie peut également être utilisée pour contrôler l’association moléculaire en deux dimensions (2D), ce qui permet la construction de monocouches organisées et prédéterminées sur différents types des surfaces, tels que le graphite.Notre travail a mis l’accent sur le comportement de la fonction amide comme fonction de reconnaissance qui est un analogue du groupement carboxyle déjà utilisé dans plusieurs études précédentes. Nous avons étudié le comportement d’une série de composés contenant un noyau plat conçu pour faciliter l'adsorption sur le graphite et modifiés par l'ajout de groupes amide pour favoriser la formation de liaisons hydrogène entre les molécules ainsi adsorbées. La capacité de ces composés à former de monocouches organisées à l’échelle moléculaire en 2D a été examinée par microscopie à effet tunnel, etleur organisation en 3D a également été étudiée par cristallographie aux rayons X. Dans notre étude, nous avons systématiquement modifié la géométrie moléculaire et d'autres paramètres afin d'examiner leurs effets sur l'organisation moléculaire. Nos résultats suggèrent que les analyses structurales combinées en 2D et 3D constituent un important atout dans l'effort pour comprendre les interactions entre les molécules adsorbées et l’effet de l’interaction avec la surface du substrat.

MgO/Ag(001) interface structure and STM images from first principles

The interface of MgO/Ag(001) has been studied with density functional theory applied to slabs. We have found that regular MgO films show a small adhesion to the silver substrate, the binding can be increased in off-stoichiometric regimes, either by the presence of O vacancies at the oxide film or by a small excess of O atoms at the interface between the ceramic to the metal. By means of theoretical methods, the scanning tunneling microscopy signatures of these films is also analyzed in some detail. For defect free deposits containing 1 or 2 ML and at low voltages, tunnelling takes place from the surface Ag substrate, and at large positive voltages Mg atoms are imaged. If defects, oxygen vacancies, are present on the surface of the oxide they introduce much easier channels for tunnelling resulting in big protrusions and controlling the shape of the image, the extra O stored at the interface can also be detected for very thin films.

Sonogashira coupling on an extended gold surface in vacuo: reaction of phenylacetylene with iodobenzene on Au(111)

Temperature-programmed reaction measurements supported by scanning tunneling microscopy have shown that phenylacetylene and iodobenzene react on smooth Au(111) under vacuum conditions to yield biphenyl and diphenyldiacetylene, the result of homocoupling of the reactant molecules. They also produce diphenylacetylene, the result of Sonogashira cross-coupling, prototypical of a class of reactions that are of paramount importance in synthetic organic chemistry and whose mechanism remains controversial. Roughened Au(111) is completely inert toward all three reactions, indicating that the availability of crystallographically well-defined adsorption sites is crucially important. High-resolution X-ray photoelectron spectroscopy and near-edge X-ray absorption fine structure spectroscopy show that the reactants are initially present as intact, essentially flat-lying molecules and that the temperature threshold for Sonogashira coupling coincides with that for C−I bond scission in the iodobenzene reactant. The fractional-order kinetics and low temperature associated with desorption of the Sonogashira product suggest that the reaction occurs at the boundaries of islands of adsorbed reactants and that its appearance in the gas phase is rate-limited by the surface reaction. These findings demonstrate unambiguously and for the first time that this heterogeneous cross-coupling chemistry is an intrinsic property of extended, metallic pure gold surfaces: no other species, including solvent molecules, basic or charged (ionic) species are necessary to mediate the process.