L'utilisation de nano-structures dans des dispositifs optiques ou électroniques est pressentie comme une solution aux limites des technologies micro-électroniques actuelles. Mais l'utilisation des propriétés physiques de ces nano-structures présuppose un contrôle collectif de la taille de la densité de ces objets. Ce travail étudie la possibilité d'organisation contrôlée de nano-structures par des champs élastiques périodiques. Ces champs élastiques sont induits par des réseaux de dislocations enterrés, créés par collage moléculaire Si/Si. Nous avons montré que l'organisation directe par épitaxie des nano-structures n'est pas possible, mais qu'en utilisant une gravure chimique sensible aux champs élastiques, il était possible de définir une surface structurée à l'échelle nanométrique de manière bien contrôlée. Ce nouveau type de surface a ensuite été utilisé comme gabarit pour la croissance de nano-structures de germanium, ce qui a montré son efficacité en termes d'organisation.

Les dépôts d'une très faible quantité de matière sur des surfaces bien définies induisent parfois la formation de nanostructures ordonnée, qui peuvent présenter un ordre un grande distance. On peut citer le cas d'un dépôt de Co sur la surface Au(788) ou le cas d'un dépôt d'Ag sur des surfaces vicinales de Cu. Dans ce contexte, ce travail de thèse porte sur le système Ag/Ni, et plus particulièrement sur l'adsorption d'argent sur les surfaces Ni(111) et Ni(322). Des dépôts d'argent sur la surface vicinale Ni(322) induisent, après recuit, la formation de facettes dont la période (de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres) et l'orientation dépendent fortement des conditions de recuit ainsi que de la quantité d'argent déposée. Sous certaines conditions, le système présente une alternance périodique de facettes (211) et (111). L'argent, localisé sur les facettes (211), induit une reconstruction de surface. Une étude par microscopie à effet tunnel (STM), diffraction des rayons X en incidence rasante (GIXD) et simulations de dynamique moléculaire trempée (QMD) a été effectuée. Afin de comprendre le système Ag/Ni dans son ensemble, des dépôts d'argent allant jusqu'à 2 monocouches sur la surface nominale Ni(111) ont été étudiées. Le mode de croissance semble dépendre des conditions expérimentales et les résultats STM, GIXD et de diffraction de photoélectrons (XPD) obtenus sur ce système ne convergent pas. Les résultats de diffraction d'électrons lents (LEED) ont montré une "rotation" des plans d'argent sur la surface Ni(111) à partir d'une certaine température de recuit. Des calculs QMD ont permis d'identifier la reconstruction observée et ont montré sa stabilité énergétique.

Adsorption of monolayers and multilayers of metal-free and metal phthalocyanines molecules on metal surfaces has been investigated using complementary microscopic and synchrotron-based spectroscopic techniques. It was observed by STM measurements that at monolayer coverage the adsorption direction of the metal-free phthalocyanine molecules with respect to the gold surface vary as a function of temperature, i.e. at room temperature (RT) and low temperature (LT). It was explained by the difference in strength of intermolecular and adsorbate-substrate interactions at room and low temperatures. Nature of the interaction between adsorbed species and the surfaces as a function of coverage has been further characterized by XPS measurements. Binding energy shifts as a function of coverage have been attributed to initial- and final-state effects, the latter being due to different core-hole screening for the different molecular coverage. The alignment of molecular films at both monolayer and multilayer coverages, which has been determined by XAS measurements in several cases, is also dependent upon the relative strength of molecule-molecule versus molecule-substrate interaction. Parallel alignment of the molecular film with respect to the surface is the result of significant interaction between the adsorbate and the substrate, whilst standing geometry of the molecular film is due to more significant intermolecular interactions. DFT simulations have provided further information on the nature of the adsorbate-substrate interaction as well as contribution of different molecular orbitals in XPS and XAS spectra. Moreover, investigation of alkali interaction with the phthalocyanine films revealed a significant modification in their geometric and electronic structures due to charge transfer from the alkali metal to the molecular film. However, no sign of metallization of the molecules has been observed by spectroscopic and microscopic studies.

Two-dimensional layered materials, namely monolayer hexagonal boron nitride and graphene were grown by CVD on various transition metals. The physical and chemical properties of these systems were characterized systematically using synchrotron-based spectroscopic techniques, scanning tunneling microscopy and low energy electron diffraction. It is learned that the overlayer–substrate interaction is caused by the overlayer π–substrate d band hybridization. The physical properties of these overlayers depend on the strength of interaction and the degree of lattice matching at the interface. The strength of interaction between the boron nitride and graphene overlayers and the transition metal substrates is increasing from Pt(111)–Ir(111)–Rh(111)–Ru(0001). For overlayers adsorbed on Rh and Ru, the interplay between these two parameters can result in corrugation of the overlayer, i.e. a surface with bonding and non-bonding areas. The amplitude of corrugation is increasing with the strength of interfacial interaction. The corrugated BN overlayer (BN nanomesh) was used as a template for the growth of two-dimensional and highly dispersive Au nanoparticles. In addition, the inert BN nanomesh was used as a substrate for the deposition of pentacene molecules that conform to the corrugated surface while preserving the herringbone crystal structure. The coadsorption of oxygen and Co clusters on the nanomesh was investigated. Oxygen was utilized to lower the Co surface energy, i.e. to prevent Co agglomeration. It is observed that the smaller Co clusters intercalate through the BN overlayer upon soft annealing. Beside the surface structure, the substrate induced surface reactivity of the MG overlayer was employed to promote the hydrogenation of graphene on Pt, Ir and Ni. The graphene layer adsorbed on Pt and Ir shows higher H uptake than MG/Ni. Furthermore the uptake increases with the size of the bonded graphene. The small H uptake for MG/Ni was attributed to the electron localization in the C-Ni bonds.

Ce travail s'inscrit dans le cadre de l'étude des systèmes physiques de basse dimension. Nous présentons une étude des propriétés électroniques locales de deux composés quasi-unidimensionnels (Q1D) à onde de densité de charge (ODC), le bronze bleu Rb0.3MoO3 et NbSe3, par microscopie à effet tunnel (STM), sous ultra-haut vide (UHV) et à basse température. Ces matériaux ont été clivés in-situ suivant leur plan naturel, (-201) pour Rb0.3MoO3 et (100) pour NbSe3. Notre étude montre que la distribution spatiale de surface des ODC peut être qualitativement différente de celle du volume et qu'une préparation in-situ des surfaces de ces composés est nécessaire pour avoir accès à leurs propriétés électroniques véritables. En surface de Rb0.3MoO3, l'ODC a été visualisée par STM. Un phénomène nouveau a été observé: la composante qb=2kf du vecteur d'onde de l'ODC n'est pas homogène en surface. Nous proposons que ces déviations résultent d'inhomogénéités de surface du vecteur de Fermi, dues à la distribution inhomogène des atomes alcalins sur la surface, après clivage du matériau. Les implications de ces résultats sont discutées. Nos mesures STM sur NbSe3 offrent une première étude cohérente des états ODC q1 et q2, et de leur distribution spatiale sur les différentes chaînes de la structure. A basse température, l'existence d'une interaction entre les ODC q1 et q2 est révélée par l'apparition d'une nouvelle superstructure. Enfin, tandis que l'ODC q1 possède en surface une température de transition (Tc) comparable à celle du volume, l'ODC q2 possède une Tc de 10 à 15K plus élevée en surface. Différents mécanismes reposant sur des effets spécifiques de surface sont discutés.

Nous avons étudié la croissance de films organiques de pérylène tetracarboxylique diimide (PTCDI) et de phthalocyanine de palladium (Pd(Pc)) sur les surfaces métalliques Pt(001), Pt(111) et Au(001). Une étude de l'hétérostructure Au/PTCDI/Pd(Pc)/Au ayant précédemment conclu à un effet redresseur, nous nous sommes plus particulièrement intéressés à la réalisation de cette hétérostructure pour des épaisseurs nanométriques par dépôt en phase vapeur sous ultravide, ainsi qu'à sa caractérisation par différentes techniques d'analyse des surfaces (AES, LEED, REELS, UHV-STM et STS). Il était important de réaliser des couches organiques ordonnées afin d'optimiser le transport de charges dans ces couches.<br /> A l'aide des cinétiques de dépôt réalisées par spectroscopie d'électrons Auger (AES) et de la microscopie à effet tunnel (STM), nous avons identifié les modes de croissance des deux types de molécule en films minces. Nous montrons que PTCDI et Pd(Pc), déposés sur un substrat de platine (Pt(111) et Pt(001)) à différentes températures, croissent suivant le mode Stransky-Krastanov : après la formation d'une première couche désordonnée, les molécules se regroupent dans des îlots cristallins. Les propriétés électroniques de films moléculaires de différentes épaisseurs déposés sur Pt(001) ont pu être déduites par spectroscopie de pertes d'énergie d'électrons lents en mode réflexion (REELS) montrant une lente ouverture du gap. Nous observons la formation de monocouches désordonnées en raison d'une forte interaction molécule-platine comparativement à l'interaction molécule-molécule. Ce résultat étant en opposition avec notre critère initial d'obtention de couches ultraminces ordonnées, nous nous sommes donc intéressés au substrat Au(001). Dans ce cas, il a été démontré que les couches déposées donnent généralement des surstructures organisées.<br />Nous avons utilisés les vitesses de dépôt précédemment déterminées dans le cadre des dépôt sur platine afin d'étudier par AES et STM les monocouches de PTCDI et Pd(Pc) sur la face (001) de l'or. La monocouche de Pd(Pc) déposée à température ambiante s'ordonne en fonction de la quantité adsorbée en une maille carrée ou rectangulaire, orientée suivant les directions <110> et < 10> du substrat. Le film de PTCDI forme une maille rectangulaire dont les paramètres sont proches de ceux obtenus par diffraction des rayons X sur des monocristaux de PTCDI.<br /> Finalement, le dépôt d'une fraction de monocouche de PTCDI sur la surstructure carrée de Pd(Pc) adsorbée sur Au(001) conduit à la formation d'une maille de PTCDI commensurable avec la maille de Pd(Pc). Les courbes I-V obtenues par STS pour le système W / PTCDI / Pd(Pc) / Au(100) sont semblables à une caractéristique de diode (coefficient redresseur compris entre 13 et 24), mais l'origine de cet effet reste pour le moment à déterminer.

Die Arbeit befasst sich mit zweierleiZum einen wird der STM-Abbildungsprozess simuliert, indem Probe und Spitze durch zweidimensionale Sommerfeld-Metalle frei waehlbarer Geometrie beschrieben werden und der Tunnelstrom im Transfer-Hamiltonian-Formalismus bestimmt wird. Die Berechnung der Eigenzustaende der Elektroden erfolgt numerisch durch Diskretisierung der Schroedingergleichung im Differenzenverfahren. Ueber die geometrische Entfaltung der erhaltenen Konstantstromprofile mit der Spitzengeometrie werden der Vergleich zum geometrischen (mechanischen) Abtasten gezogen und Moeglichkeiten einer Vermessung von Spitze und Probe diskutiert. Zum anderen wird durch Berechnung von Eigenzustaenden in grossen zweidimensionalen Potentialkaesten (Quantenbillards) endlicher Wandhoehe der Frage nachgegangen, welchen Einfluss klassisch verbotene Gebiete (Aussenraum, Tunnelbarriere) auf Eigenfunktionen in semiklassisch grossen Systemen haben. Betrachtet wird insbesondere ein Gesamtsystem bestehend aus zwei Potentialkaesten, die ueber eine Tunnelbarriere koppeln (¨Quantenbillards endlicher Wandhoehe im Tunnelkontakt¨). Bei einer Reihe von Zustaenden zeigen sich Scars, die aus der Barriere austreten und in diese zuruecklaufen. Das Gesamtsystem ist in hohem Masse nichtintegrabel, ¨sichtbar¨ wird dieses aber nur fuer Bahnen entweder des Kontinuums oder fuer komplexe Orbits. Eine semiklassische Beschreibung dieses Phaenomens mit der gegenwaertigen, auf klassischen Orbits fussenden Theorie periodischer Bahnen ist nicht mehr moeglich. Die Einbeziehung komplexer Orbits oder Bahnen des Kontinuums (¨ungebundener Orbits¨) wird durch diese Ergebnisse angemahnt.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die experimentelle Untersuchung molekularer organischer Adsorbate mit Hilfe der Raster-Tunnel-Mikroskopie und -Spektroskopie im Ultrahochvakuum (UHV). Als Modellsubstanzen dienen Coronen, verschiedene Phthalo-cyanin-farbstoffe sowie je ein nematischer und ein discotischer Flüssigkristall. Mono- und Submonolagen dieser Substanzen werden hinsichtlich ihrer Adsorbatstruktur auf kristallographisch definierten Festkörper-oberflächen untersucht. Die dabei gewonnenen STM-Bilder zeigen die molekular und submolekular aufgelöste Struktur der Adsorbate. Die Untersuchung von Submonolagen zweier Metall-Phthalocyanine bei tiefen Temperaturen zeigt eine Bildung molekularer Ketten. Zur Ermittlung der elektronischen Eigenschaften der Moleküle werden molekulare Mono- und Submonolagen mit Hilfe der Raster-Tunnel-Spektroskopie (STS) bei Raumtemperatur und bei tiefen Temperaturen untersucht. Einige der Substanzen ermöglichen die Messung sehr stabiler lokaler Tunnelstromkennlinien. Die Ergebnisse der STS-Experimente an Coronen werden mit Resultaten von ab-initio-Rechnungen der Molekül-orbitalstruktur verglichen. / The work describes experimental investigations of molecular organic adsorbates in ultra high vacuum (UHV) by scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS). Coronene, several phthalocyanine dyes, and both a nematic and a discotic liquid crystal are chosen as model substances. Mono- and submonolayers of these substances adsorbed onto crystallographically well-defined surfaces are observed by STM with regard to their adsorbate structure. The STM images reveal the molecular and intramolecular structure of the adsorbates. Submonolayers of two metal phthalocyanines, observed at low temperatures, reveal the formation of molecular chains. With special regard to the electronic properties, such ultra thin films are investigated by scanning tunneling spectroscopy (STS), both at room temperature and at helium-cooled low temperatures. Some of the substances allow the collection of very stable local STS curves. The STS data coincide very well with the results of ab-initio calculations of their molecular orbital structure.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind ultradünne Filme organischer Moleküle auf anorganischen Substraten. Adsorbate wurden in Bedeckungen von Submonolagen bis hin zu Multilagen mittels Raster-Tunnel-Mikroskopie und Spektroskopie untersucht. Ergänzt wurde die Strukturaufklärung durch die Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED). Im Mittelpunkt stehen in-situ Untersuchungen von im UHV aufgedampften Schichten. Darüberhinaus werden Experimente zur Erzeugung, Abbildung und Manipulation selbstassemblierter Monolagen an der flüssig-fest Grenzfläche beschrieben. Als Modell-Substanzen wurden Coronen, Zinn- und Palladium-Phthalocyanin, Naphthalocyanin sowie Trimesinsäure ausgewählt. Auf Ag(111) konnte bei geringer Bedeckung des planaren Coronens die Wechselwirkung mit dem Oberflächenzustand anhand von stehenden Elektronenwellen nachgewiesen werden. Sowohl auf Ag(111) als auch auf Graphit(0001) konnten für Coronen Monolagen kommensurable Überstrukturen gefunden werden. Für Palladium- und Zinn-Phthalocyanin offenbarte sich auf Ag(111) die Koexistenz von geordneten und ungeordneten Phasen. Wobei es für Palladium-Pc sowohl in der kristallinen als auch in der ungeordneten Phase Indizien für eine höhere Mobilität der Moleküle gibt. Im Fall des nicht planaren Zinn-Pc konnten zwei verschiedene Adsorptionsgeometrien des Moleküls mit dem STM eindeutig unterschieden werden. Die etwas größere Molekülstruktur des Naphthalocyanins bedingt eine Herauf-Skalierung der Einheitszelle, wie sie typischerweise bei Phthalocyaninen beobachtet wird. Ferner ließ sich eine eindeutige Abhängigkeit des intramolekularen Kontrastes vom Vorzeichen der Tunnelspannung durch zweimaligen Wechsel der Polarität im selben Bild zweifelsfrei belegen. Hierbei konnten die submolekularen Strukturen mit simulierten Molekülorbitalen isolierter Moleküle interpretiert werden. Bei den durch Wasserstoffbrücken-Bindungen stabilisierten offenen Netzwerken der Trimesinsäure (TMA) auf Graphit konnte je nach Lösungsmittel an der flüssig-fest Grenzfläche entweder die "Flower"- oder "Chickenwire"-Struktur eingestellt werden. Zudem konnte die Eignung dieser Schicht als Wirt-Gast-System durch die Einlagerung von C60-Fullerenen und Coronen demonstriert werden. Außerdem gelang die Manipulation einzelner C60 im TMA-Templat mit der STM-Spitze in flüssiger Umgebung bei Raumtemperatur.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die experimentelle Untersuchung organischer Adsorbate mit Hilfe der Raster-Tunnel-Mikroskopie im Ultrahochvakuum (UHV) und an ambienten Bedingungen. Im Zentrum dieser Arbeit stehen Untersuchun-gen an selbstassemblierten Monolagen von Trimesinsäure. Eine vorgeschlagene Gast-Wirt-Struktur aus Trimesinsäure wurde erzeugt und mit submolekularer Auf-lösung abgebildet. Ferner ist es gelungen gezielt Gäste in die Wirtstruktur einzu-lagern und zu manipulieren. Als Gäste konnten, neben Trimesinsäure selbst, Coronen, Fullerene und Gold-Cluster gezeigt werden.