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THESE de DOCTORAT de l ’UNIVERSITE PARIS VI Spécialité : Physique Expérimentale

THESE de DOCTORAT de l ’UNIVERSITE PARIS VI Spécialité : Physique Expérimentale des Atomes et des Molécules et Applications. Présentée par Eric LE GOFF Pour obtenir le grade de DOCTEUR de l ’UNIVERSITE PARIS VI Soutenue le 29 octobre 1999 devant le jury composé de : MM. R. PINCHAUX président A. PIMPINELLI rapporteur J.P. DEVILLE rapporteur L. BARBIER B. LEGRAND J.J. METOIS Morphologie de surfaces vicinales de métaux purs et d’alliages : stabilité et rugosité. Expériences et modélisations. THESE de DOCTORAT de l ’UNIVERSITE PARIS VI Spécialité : Physique Expérimentale des Atomes et des Molécules et Applications. Présentée par Eric LE GOFF Pour obtenir le grade de DOCTEUR de l ’UNIVERSITE PARIS VI Soutenue le 29 octobre 1999 devant le jury composé de : MM. R. PINCHAUX président A. PIMPINELLI rapporteur J.P. DEVILLE rapporteur L. BARBIER B. LEGRAND J.J. METOIS Morphologie de surfaces vicinales de métaux purs et d’alliages : stabilité et rugosité. Expériences et modélisations. Morphologie de surfaces vicinales de métaux purs et d ’alliages : stabilité et rugosité. Expériences et modélisations. Eric LE GOFF Service de Recherche sur les Surfaces et l ’Irradiation de la Matière A mes parents. Remerciements Je tiens à remercier M. George Lozes pour son accueil au sein du S.R.S.I.M. (Service de Recherche sur les Surfaces et l’Irradiation de la Matière) où c’est déroulé ce travail de thèse. Je remercie respectueusement messieurs Alberto Pimpinelli, Jean-Paul Deville, Jean- Jacques Métois et Robert Pinchaux d’avoir accepté de faire partie de mon jury de thèse. Je souhaite remercier très chaleureusement Luc Barbier, Bernard Salanon, Pascal Hecquet, Pascal Lavie et Frédéric Merlet avec qui j’ai travaillé quotidiennement durant ces trois années, et sans lesquelles cette thèse ne serait pas ce qu’elle est. Luc Barbier, tout d’abord, m’a accueilli dans son groupe de recherche. Il m’a apporté, tout au long de cette thèse, sa précieuse compétence aussi bien théorique qu’expérimentale. Il m’a soutenu durant les moments difficiles et surtout, il a su me faire partager sa passion pour la recherche. C’est un plaisir de le remercier très amicalement pour ces trois années d’aide au quotidien. Toute ma reconnaissance va également à Bernard Salanon pour sa disponibilité et pour toute la patience dont il a fait preuve face à mes nombreuses questions. Je remercie Pascal Hecquet pour son aide face à une informatique pas toujours très docile, pour sa gentillesse et ses conseils au quotidien. Je voudrais également remercier Pascal Lavie et Frédéric Merlet pour leur disponibilité et la rapidité avec laquelle ils sont intervenus sur les dispositifs expérimentaux. Sans leur aide aucune expérience n’aurait pu être menée à son terme. Quand je repense à tous ceux avec lesquels j’ai travaillé durant ces trois années, je crois que je n’aurai pas pu imaginer meilleure équipe, encore merci à tous. Toute ma reconnaissance va également à mon directeur de thèse M. Bernard Legrand en qui j’ai toujours trouvé un interlocuteur attentif pour des discussions très fructueuses. Je tiens à remercier chaleureusement Xavier Torrelles, Sylvain Goapper et Annick Loiseau pour leur aide au cours du run E.S.R.F . J’adresse mes vifs remerciements à Imad Arfaoui pour l’aide qu’il m’a apporté lors de l’étude du Cu-Pd. Enfin je souhaite dire un grand merci à tous les membres du S.R.S.I.M. et en particulier à tous les stagiaires et les doctorants qui ont contribué à cette ambiance amicale toujours présente durant ces trois années. Alice was beginning to get very tired of sitting by her sister on the bank, and of having nothing to do : once or twice she had peeped into the book her sister was reading, but it had no pictures or conversations in it, and what is the use of a book, thought Alice, without pictures or conversations ? Alice in Wonderland By Lewis Carroll TABLE DES MATIERES Introduction Générale 1 PREMIERE PARTIE Morphologie des surfaces vicinales. Transition rugueuse. ___________________________________________________________________________ CHAPITRE I Généralités 11 I-A. Faces Cu(1,1,n) idéales 13 I-B. Interaction entre marches 14 I-B.1. Interaction entropique 15 I-B.2. Interaction élastique 15 I-B.3. Interaction dipolaire électrique 16 I-C. Représentation microscopique d'une surface vicinale 18 I-D. La transition rugueuse 19 I-D.1. Notion de transition rugueuse 19 I-D.2. La transition rugueuse sur les surfaces vicinales 20 I-E. Conclusion 22 BIBLIOGRAPHIE 23 ___________________________________________________________________________ CHAPITRE II Modélisation des surfaces vicinales 25 II-A. Introduction 27 II-B. Modèles à marche unique 28 II-B.1. Introduction 28 II-B.2. La marche libre 28 II-B.3. Une marche plongée dans un potentiel 30 II-B.3.1. Les murs durs 30 II-B.3.2. Méthode de l'approximation harmonique 31 II-B.3.3. Potentiel quelconque : méthode de la matrice de transfert à une marche 32 Fonction de partition, énergie libre Distribution des largeurs de terrasses Fonction de corrélation le long du bord de marche II-B.3.4. Comparaison avec les résultats expérimentaux de la face Cu(1,1,11) 35 II-B.3.5. Conclusion : les modèles à une marche sont insuffisants 37 II-C. Modèles à plusieurs marches 38 II-C.1. Présentation des modèles 38 II-C.2. Equivalence avec le modèle des fermions en interaction 41 II-C.2.1. Energie libre 41 II-C.2.2. Distribution des largeurs de terrasses 45 II-C.3. Le modèle des ondes capillaires 47 II-C.3.1. Cas rugueux (T≥TR) 48 II-C.3.2. Cas non rugueux (T<TR) 51 II-C.4. La simulation Monte Carlo 53 II-C.4.1. Généralités 53 II-C.4.2. Cas des surfaces vicinales 55 II-C.5. La méthode du cylindre 59 II-C.5.1. Introduction 59 II-C.5.2. Présentation de la méthode 59 II-C.5.3. Fonction de partition, énergie libre 62 Calcul de l'énergie libre Convergence de l'énergie libre II-C.5.4. Distribution des largeurs de terrasses 68 II-C.5.5. Fonctions de corrélation 69 Calcul des fonctions de corrélation Convergence des fonctions de corrélation II-D. Conclusion 73 BIBLIOGRAPHIE 75 ___________________________________________________________________________ CHAPITRE III Etude statistique des surfaces vicinales 79 III-A. Diagramme de phases des surfaces vicinales 81 III-A.1. Introduction 81 III-A.2. Interaction répulsive (A≥0) 82 III-A.2.1. Variation de l'énergie libre avec la vicinalité A=0 K 82 III-A.2.2. Variation de l'énergie libre avec la vicinalité A>0 K 84 III-A.2.3. Variation de l'énergie libre avec la température 85 III-A.2.4. Diagramme de phases pour A>0 87 III-A.2.5. Cas de la face (115) 89 III-A.3. Stabilité des surfaces vicinales pour une interaction attractive : le modèle de Sutherland attractif 91 III-A.4. Conclusion 96 III-B. Etude statistique des surfaces vicinales 97 III-B.1. Distribution des largeurs de terrasses 97 III-B.1.1. Comparaison modèle continu, modèle discret 97 III-B.1.2. La variance des largeurs de terrasses 100 Marches sans interaction (A=0) Marches en interaction (A>0) III-B.1.3. Distribution universelle des largeurs de terrasses à T=TR 104 III-B.2. Rigidité et potentiel de localisation pour T<TR 107 III-B.3. Conclusion 110 BIBLIOGRAPHIE 111 ___________________________________________________________________________ CHAPITRE IV Etude d’une surface vicinale de Cu(1,1,5) par microscopie à effet tunnel en fonction de la température 113 IV-A. Introduction 115 IV-B. Techniques expérimentales 116 IV-B.1. La microscopie à effet tunnel 116 IV-B.1.1. Bref historique 116 IV-B.1.2. L’effet tunnel 117 IV-B.1.3. Le courant tunnel 118 IV-B.1.4. L’enregistrement des images 121 Le mode courant constant Le mode hauteur constante IV-B.2. Dispositif expérimental 123 IV-B.2.1. L’enceinte ultra-vide 123 IV-B.2.2. Le dispositif STM 123 Le microscope à température ambiante Le microscope à température variable Le système anti-vibration L’acquisition des images IV-B.3. Préparation des pointes STM 127 IV-C. Etude de la surface de Cu(1,1,5) 128 IV-C.1. Préparation de l’échantillon 128 IV-C.2. Conditions d’acquisition 128 IV-C.3. Les images spatiales 129 IV-C.4. Les images temporelles 133 IV-C.5. Analyse statistique : fonctions de corrélation et distributions des largeurs de terrasses 135 IV-C.5.1. Fonctions de corrélation spatiale 135 IV-C.5.2. Distribution des largeurs de terrasses 141 IV-C.6. Fonctions de corrélation temporelle 143 IV-C.6.1. Mesure 143 IV-C.6.2. Détermination de l’énergie d’activation 144 IV-C.6.3. Aspect temporel des images spatiales : comparaison entre G(0,y) et G(t) 146 IV-C.7. Détermination des paramètres énergétiques A et Ek 148 IV-C.7.1. Ajustement sur G(m,0) 148 IV-C.7.2. Comparaison images STM et configurations Monte Carlo 151 IV-C.7.3. Détermination des rigidités de surface et du potentiel de localisation 153 IV-C.8. Discussion 155 Comparaison avec Ag(1,1,5) Etudes par diffraction – par STM Influence de l'angle de coupe IV-C.9. Conclusion de l'étude expérimentale du Cu(1,1,5) 160 BIBLIOGRAPHIE 161 ___________________________________________________________________________ Conclusion de la première partie 163 SECONDE PARTIE Morphologie des surfaces vicinales d'alliages. Transition chimique. ___________________________________________________________________________ CHAPITRE V Généralités sur les alliages CFC A3B de structure L12 169 V-A. Introduction 171 V-B. Transition ordre – désordre 172 V-C. Phase désordonnée (A1) 173 V-D. Phase ordonnée (L12) 174 V-E. Description des variants d'ordre dans la structure L12 175 V-E.1. Les variants 175 V-E.2. Mise en ordre - parois d'antiphase 176 V-F. Mise en désordre - rôle des interfaces 178 V-G. Mise en ordre : modèle de S.M. Allen et J.W. Cahn 179 V-H. Faces vicinales (1,1,n) des alliages A3B 181 V-I. Conclusion 182 BIBLIOGRAPHIE 183 ___________________________________________________________________________ CHAPITRE VI Etude de la face Cu83Pd17(1,1,5) 185 VI-A. Introduction 187 VI-B. Choix du système 188 VI-C. Comparaison des faces (1,1,11) et (1,1,5) : objectifs 189 VI-D. Morphologie de la surface, influence du traitement thermique 191 VI-D.1. Préparation de l'échantillon 191 VI-D.2. Images STM obtenues, comparaison avec la face Cu83Pd17(1,1,11) 191 VI-D.3. Interprétations des images obtenues 193 VI-D.3.1. Modèle structural 193 VI-D.3.2. Modèle énergétique 194 VI-D.4. Analyse statistique de la position des marches 196 VI-E. Conclusion 198 BIBLIOGRAPHIE 200 ___________________________________________________________________________ CHAPITRE VII Etude de la face uploads/Sante/ these 3 .pdf