Epitaxial growth of a silicene sheet

Using atomic resolved scanning tunneling microscopy, we present here the experimental evidence of a silicene sheet (graphenelike structure) epitaxially grown on a close-packed silver surface [Ag(111)]. This has been achieved via direct condensation of a silicon atomic flux onto the single-crystal substrate in ultrahigh vacuum conditions. A highly ordered silicon structure, arranged within a honeycomb lattice, is synthesized and present two silicon sublattices occupying positions at different heights (0.02 nm) indicating possible sp(2)-sp(3) hybridizations

Graphene-like silicon nanoribbons on Ag(110): A possible formation of silicene

Scanning tunneling microscopy (STM) and ab initio calculations based on density functional theory (DFT) were used to study the self-aligned silicon nanoribbons on Ag(110) with honeycomb, graphene-like structure. The silicon honeycombs structure on top of the silver substrate is clearly observed by STM, while the DFT calculations confirm that the Si atoms adopt spontaneously this new silicon structure

ELABORATION ET CARACTERISATION D'OXYDES D'ALUMINIUM ULTRA-MINCES POUR UNE APPLICATION AUX JONCTIONS TUNNELS MAGNETIQUES

This thesis reports on the development of an original process, the Atomic Layer Deposition and Oxidation (ALDO) procedure, for growing a perfectly homogeneous artificial oxide film with specific chemical composition. The growth method consisted of three steps: deposition by molecular beam epitaxy (MBE) of one atomic monolayer of a specific metal, followed by exposure of 60 Langmuirs oxygen resulting in chemical oxidation at room temperature, and concluding with annealing in ultrahigh vacuum (UHV) conditions. This three-step process was then repeated to increase the thickness of oxide thicknesses using layer-by-layer growth. Auger electron spectroscopy (AES) and low energy electron diffraction (LEED) were used to control the process. In this thesis, this process was used to grow aluminum oxide thin films on a silver single crystal substrate, Ag(111), and on hydrogenated silicon, Si(001)-H. AES indicated that the oxide composition was close to AlO, with a spectroscopic signature very different Al2O3. Electron energy loss spectroscopy (EELS) and photoemission spectroscopy (PES) using synchrotron radiation, in good agreement with scanning tunneling spectroscopy (STS) results, were used to estimate a band gap close to 6.5 eV, which did not evolve with oxide thickness up to 3.4 nm. Scanning tunneling microscopy (STM) showed that the oxide layer was very homogenous and wetted the silver substrate perfectly. STM images measured through the oxide layer demonstrated electronic transport through the layer and confirmed that the oxide layer was homogeneous in both depth and chemical composition.Additional techniques, including atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM), AES, and LEED, confirmed the high quality of the aluminum oxide thin films grown by ALDO on Si(100)-H and proved the reproducibility of the method. The roughness did not evolve with the growth of the aluminum oxide on silicon, and TEM images showed an abrupt interface between the silicon and the oxide layer. AES, scanning neutral mass spectroscopy (SNMS), and TEM were used to study the stability of these layers as diffusion barriers. The results suggest that this oxide may be useful in microelectronics applications.L'objectif premier de ce travail de thèse a été de mettre au point une méthode de fabrication (alternative aux méthodes existantes) d'un oxyde d'aluminium en couches minces, de façon très contrôlée et reproductible dans le but d'obtenir un oxyde homogène en épaisseur, en composition chimique et en structure atomique. Le but étant d'employer cet oxyde dans les jonctions tunnels magnétiques (MTJ) qui suscitent un très grand intérêt avec l'avènement de la Spintronique et le prix Nobel de physique décerné en 2007 à Albert Fert et Peter Grunberg pour la magnétorésistance géante GMR. Cette méthode de fabrication que nous avons baptisée ALDO (Atomic Layer Deposition and Oxidation) consiste à réaliser l'oxyde couche par couche. De façon générale cette méthode consiste à déposer par MBE (molecular Beam Epitaxy) une monocouche atomique de l'élément métallique dont on veut obtenir l'oxyde sur le substrat choisi et ensuite de réaliser une oxydation « douce » à température ambiante par un simple processus de chimisorption de l'oxygène sur la surface. La quantité d'atome d'oxygène étant fixée, l'échantillon est alors recuit dans des conditions de pression ultra-vide (10 - 10T) à des températures intermédiaires. En répétant plusieurs fois ces étapes il est possible de faire croître différentes épaisseurs d'oxyde de façon très contrôlée.Nous avons étudié la croissance de l'oxyde d'aluminium sur deux substrats différents, un substrat d'argent orienté (111) et un substrat de silicium hydrogéné orienté (100). L‘étude sur le substrat d'argent a permis la mise au point de la méthode ALDO sur un substrat modèle, que l'on savait peu réactif avec l'oxyde. Une étude AES/LEED nous a permis, entre autre de calibrer et de contrôler la croissance de l'oxyde ALDO, notamment en fixant les températures de recuit, la pression et le temps d'exposition à l'oxygène.La combinaison des techniques AES, LEED, EELS, STM, PES, STS a mis en évidence la nature particulière de cet oxyde d'aluminium qui présente une composition, un gap électrique et une morphologie spécifiques. Les analyses AES ont montré que la signature spectroscopique et la composition de cet oxyde (proche de la composition AlO) sont différentes des couches minces d'alumine de composition Al2O3 largement étudiées par ailleurs. Les mesures de pertes EELS et PES (en rayonnement synchrotron) associées aux mesures STS ont permis de mesurer un gap équivalent aux gaps mesurés dans les films minces d'Al2O3 d'épaisseur équivalente. Le gap mesuré est sur les deux substrats proche de 6,5 et ne varie pas (ou peu) avec les épaisseurs d'oxyde étudiées. L'étude STM nous a permis de vérifier l'homogénéité en épaisseur de cet oxyde avec en particulier la première monocouche d'oxyde qui mouille parfaitement le substrat d'argent. Le caractère très homogène de cet oxyde a été démontré a plusieurs reprises et notamment par l'investigation STM qui nous a permis d'obtenir des images du substrat au travers de l'oxyde et aussi de suivre en direct des processus de diffusion à l'interface de l'argent et de l'oxyde. L'étude menée sur le substrat de silicium, répondant à un objectif plus appliqué a donné lieu à des résultats encourageants. On a vu que la méthode de réalisation de l'oxyde s'applique très bien pour des substrats de silicium hydrogéné. Le caractère homogène de l'oxyde a été mis en évidence par AFM ou TEM. En effet l'oxyde n'augmente que très peu la rugosité initiale mesurée sur le substrat de silicium et les images TEM présentent une interface silicium oxyde de très grande qualité. On observe que le substrat de silicium, pourtant réactif à l'oxygène, n'est jamais oxydé lors de la croissance de l'oxyde par cette méthode. Ces couches d'oxyde sont d'une grande stabilité thermique. L'étude menée par AES, SNMS et TEM a montré que les températures de diffusion de métaux ferromagnétiques comme le cobalt dans cet oxyde sont compatibles avec des applications industrielles

Elaboration et caractérisation d'oxydes d'aluminium ultra-minces pour une application aux jonctions tunnels magnétiques

La spectroscopie d'électrons Auger (AES), la microscopie électronique en transmission (TEM), la diffraction d'électrons lents (LEED) et la microscopie à effet tunnel (STM) ont été utilisés pour étudier la croissance et les propriétés physico-chimiques de films ultra minces d'oxyde d'aluminium réalisés sur Si(100) et Ag(111). Ces oxydes ont été réalisés par une méthode spécifique dite ALDO (Atomic Layer Deposition and Oxydation), qui consiste à croître l'oxyde couche par couche. Cette méthode donne naissance à un oxyde artificiel qui présente de nombreuses spécificités et fait de cet oxyde un bon candidat pour les applications en microélectronique et notamment dans les mémoires magnétiques de type MRAM.Using different techniques of investigation (AES, LEED, STM, HR-TEM, EELS and PES) we have developed an original process, which consists to grow the aluminuim oxide layer by layer. This procedure so-called Atomic Layer Deposition and Oxidation (ALDO procedure) allows to get an artificial oxide film perfectly homogeneous in depth and chemical composition as well. Several properties like gap measurement, stoichiometry, surface morphology and electrons transport allows to mind that oxid could be in good agreement with microelectronics applications (Magnetic Tunnel Junction and Magnetic memories).AIX-MARSEILLE2-BU Sci.Luminy (130552106) / SudocSudocFranceF

Study of the Very First Stages of Mg Growth onto Si(100)

International audienc

MgO monolayer epitaxy on Ni (100)

International audienceThe growth of two-dimensional oxide films with accurate control of their structural and electronic properties is considered challenging for engineering nanotechnological applications. We address here the particular case of MgO ultrathin films grown on Ni (100), a system for which neither crystallization nor extended surface ordering have been established previously in the monolayer range. Using Scanning Tunneling Microscopy (STM) and Auger Electron Spectroscopy (AES), we report on experiments showing MgO monolayer (ML) epitaxy on a ferromagnetic nickel surface, down to the limit of atomic thickness. Alternate steps of Mg ML deposition, O2 gas exposure, and ultrahigh vacuum (UHV) thermal treatment enable the production of a textured film of ordered MgO nano-domains. This study could open interesting prospects for controlled epitaxy of ultrathin oxide films with high magneto-resistance (MR) ratio on ferromagnetic substrates, enabling improvement in high-efficiency spintronics and magnetic tunnel junction devices

Silicene Structures On Silver Surfaces

In this paper we report on several structures of silicene, the analog of graphene for silicon, on the silver surfaces Ag(100), Ag(110) and Ag(111). Deposition of Si produces honeycomb structures on these surfaces. In particular, we present an extensive theoretical study of silicene on Ag(111) for which several recent experimental studies have been published. Different silicene structures were obtained only by varying the silicon coverage and/or its atomic arrangement. All the structures studied show that silicene is buckled, with a Si-Si nearest neighbor distance varying between 2.28 and 2.5. Due to the buckling in the silicene sheet, the apparent (lateral) Si-Si distance can be as low as 1.89. We also found that for a given coverage and symmetry, one may observe different scanning tunneling microscopy images corresponding to structures that differ by only a translation. © 2012 IOP Publishing Ltd

Silicon Nano-Ribbons On Ag(110): Acomputational Investigation

We report results of a computational investigation, based on density functional theory, of silicon self-assembled nano-ribbons (Si NRs) on Ag(110). These NRs present a honeycomb-like structure arched on the substrate and forming a closed-packed structure. The calculated STM images match the experimental ones, hinting to a possible new Si structure, mediated by the Agsubstrate. The observed new electronic states near the Fermi level were reproduced by the calculations and attributed to a confinement/hybridization tandem. © 2010 IOP Publishing Ltd

Ultra-thin MgO(111)-polar sheets grown onto Ag(111)

International audienceAn ultra-thin MgO film of two monolayers (ML) was successfully grown onto Ag(111) by repeating twice RT adsorption of Mg atomic monolayer, RT oxidation and 725 K thermal annealing under UHV conditions. Using Auger electron spectroscopy, low electron energy diffraction and scanning tunneling microscopy/spectroscopy, we report here formation of MgO(1x1) and MgO(1x1)-R30 epitaxial layers, consistent with the growth of a MgO(111) polar film onto the silver surface and composed of patches having extended slight corrugation oriented along defined directions with respect to the substrate