Orientadores: Richard Landers, Abner de Siervo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-14T22:49:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pancotti_Alexandre_D.pdf: 18876572 bytes, checksum: 607e084dcdd143737b311eaaf705dc73 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Este trabalho apresenta um estudo sobre a estrutura atômica da superfície de dois materiais com potencial para suportar nano partículas metálicas num catalisador modelo, o primeiro, Óxido de Cromo é um suporte usado comercialmente, e o segundo, SrTiO3(100) (STO) tem a característica interessante de induzir o crescimento de nano partículas de alguns metais com formatos definidos pelo tipo de tratamento térmico que o suporte recebeu. O Óxido de cromo estava na forma de filmes ordenados crescidos epitaxialmente sobre um cristal de Pd(111) enquanto que o SrTiO3 consistia de cristal dopado com Nb cortado segundo a face (100). Os filmes de óxido de cromo sobre Pd(111) foram crescidos "in-situ" na câmara de análises pela deposição de cromo metálico numa atmosfera de oxigênio (1,0.10-6 mBar) sobre o substrato aquecido (623K) o que produziu filmes com boa cristalinidade e estequiometria. Foram estudados filmes com duas estruturas diferentes: óxido de cromo com 3.5 Å de espessura que apresentava uma reconstrução tipo p(2x2) e um filme mais espesso com 12.0 Å que mostrava uma reconstrução (V3xV3)R30o, ambos determinados por LEED (Low Energy Electron Diffraction). A composição e a estrutura atômica foram determinadas por XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) e XPD (X-Ray Photoelectron Diffraction), respectivamente. Titanato de Estrôncio, SrTiO3 normalmente é um material isolante, mas a adição de Nb como dopante o transformou em um material suficientemente condutor para permitir o uso das mesmas técnicas para o estudo da estrutura atômica e composição de sua superfície. Nestes estudos foram utilizados como fontes de excitação radiação Síncrotron de 700 eV de energia da linha SGM do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron e fontes convencionais de raios-X (Al, Mg) Ka. Para o modelamento teórico das estruturas superficiais empregou se o pacote MSCD [1] juntamente com um algoritmo genético [2] para acelerar a procura dos parâmetros estruturais. Determinou se que o filme mais fino de óxido de cromo correspondia a CrO com uma reconstrução p(2x2). A primeira e a segunda distâncias interplanares foram determinadas como sendo iguais a 0,16 Å e 1,92 Å, respectivamente. O filme mais grosso foi estudado em duas situações, como crescido e após tratamento térmico a 973K. Nas duas situações o filme se apresentou como a-Cr2O3(0001), mas com terminações diferentes. Antes do aquecimento do filme os resultados de XPD mostraram que a superfície é terminada por uma camada de "O" com a primeira distância interplanar expandida de 9,5% em relação ao seu valor no volume. Depois do aquecimento, a superfície é terminada em uma dupla camada formada por átomos de Cr, com a primeira distância interplanar reduzida de 68% em relação ao seu valor no volume. Os resultados para a superfície do STO mostraram regiões de SrO e TiO2. Em ambos os casos todas as camadas de cátions relaxam para dentro e os átomos da segunda camada relaxam para fora resultando na corrugação das superfícies do TiO2e SrO. Estes resultados se comparam muito bem com os resultados encontrados por LEED. Usando o algoritmo genético foi possível determinar que 30% da superfície do cristal é recoberta por ilhas de SrO(100) / Abstract: This thesis presents a study of the atomic structure of the surface of two materials with potential as supports for metallic nanoparticles in model catalysts. The first is Chromium Oxide that is used as a support for commercial catalysts, and the second is SrTiO3(100) (STO), which has the very interesting characteristic of inducing the growth of nanoparticles of some metals with different shapes depending on the type of heat treatment of the support. The Chromium Oxide used in this study was in the form of ordered films grown epitaxially on a Pd(111) crystal, while the SrTiO3 consisted of a bulk crystal doped with Nb cleaved along the (100) face. The epitaxial Chromium Oxide films were grown in situ in a surface analysis chamber by evaporating metallic Cr under 1.0x10-6 mBar of O2 pressure on to the substrate heated to 623K. The films as grown showed clear LEED (Low Energy Electron Diffraction) patterns and constant stoichiometry. Two different reconstructions were studied: p(2x2), that was present for thin films of about 3.5 Å, and (V3xV3)R30o, which is characteristic of thicker films (above 12.0 Å). The composition and detailed surface structures were determined by XPS (X-Ray Photo electron Spectroscopy) and XPD (X-Ray Photoelectron Diffraction). SrTiO3 is an insulator, but doping with Nb makes it sufficiently conducting so that it is possible to use LEED, XPS and XPD without charging problems inherent to insulating samples. Two types of radiation were used for exciting the samples: synchrotron radiation (700eV) from the SGM beam line at the Brazilian National Synchrotron Radiation Light Laboratory and conventional X-rays from Al and Mg anodes. To simulate the surface structures the MSCD package [1] was used. To accelerate the optimization of the structural parameters a genetic algorithm [2] was used in conjunction with the MSCD package. The thinner Chromium Oxide film was shown to consist of CrO with a p(2x2) reconstruction, having as first and second interlayer distances 0,16 Å and 1,92 Å respectively. The thicker Chromium Oxide film was studied as grown and after annealing at 973K. In both cases the structure was determined to be a-Cr2O3(0001), but with different surface termination. XPD revealed that the film as grown was terminated by an O monolayer, with the first interlayer distance expanded by 9.5% relative to bulk values. After annealing the film was shown to terminate in two atomic layers of Cr, who¿s interlayer distance was reduced by 68% relative to the bulk. Results for the surface of STO showed regions covered by SrO and TiO2. In both cases the cation layers relaxed inwards and the atoms of the second layer outwards, resulting in corrugated surfaces. These results compare very well with results obtained by LEED. By using the genetic algorithm [2], it was possible to show that 30% of the surface was covered by SrO(100) islands / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

Les mémoires flash non volatiles - utilisées dans les ordinateurs, les téléphones portables ou les clés USB - peuvent être constituées de nanostructures semiconductrices (SC) ou métalliques insérées dans une matrice isolante. Elles nécessitent l’élaboration d’hétérostructures de type "oxyde/métal/oxyde/SC" et la maîtrise de chaque interface. Dans ce cadre, nous avons étudié les premiers stades de la croissance de nanostructures de Fer élaborées par épitaxie par jet moléculaire (EJM) sur les substrats d’oxyde (high-k) cristallins LaAlO3(001) et LaAlO3(111). Les propriétés chimiques et structurales ont été déterminées, in-situ, par spectroscopie de photoélectrons X (XPS), diffraction de photoélectrons X (XPD) et diffraction d’électrons (RHEED et LEED) puis ex-situ par microscopie électronique en transmission (TEM). Une étude par simulation des profils XPD, basée sur la théorie de la diffusion multiple, a été menée à l’aide du programme de calcul Ms-Spec. L’étude de la croissance de Fe sur LaAlO3(001) à différentes températures de substrat a montré l’existence d’une fenêtre étroite de température, autour de 500 °C, où la croissance de Fe est épitaxique et de type Volmer-Weber (îlots 3D). Les analyses RHEED, XPD et TEM ont mis en évidence une unique relation d’épitaxie, où la maille élémentaire de Fe est tournée de 45° par rapport à celle du substrat. Les résultats XPS ont montré un environnement chimique unique des atomes de Fer (forme atomique), traduisant l’absence de toute inter-diffusion à l’interface Fe/LaAlO3(001). L’étude de la croissance de Fe sur LaAlO3(111) a également mis en évidence un mode de croissance Volmer-Weber et une interface abrupte. Par ailleurs, tout un travail de développement à l'intérieur du code Ms-Spec a été nécessaire afin de surmonter des problèmes de convergence des calculs de diffusion multiple rencontrés dans le cas d’atomes lourds ayant des énergies cinétiques élevées (atomes de La dans LaAlO3). À cette fin, quatre hypothèses ont été formulés:1- Une prise en compte insuffisante des processus inélastiques :2- L’approximation muffin-tin n'est plus suffisante pour décrire correctement le potentiel ;3- Trop de chemins de faible intensité sont négligés ;4- Divergence de la série de diffusion multiple utilisée pour calculer la section efficace.Les calculs ont montré que les trois premières hypothèses n’ont pas d’influence sur la convergence dans le cas présent. En revanche, la quatrième hypothèse a été validée. En effet, on a montré que du fait du fort pouvoir diffuseur des atomes de La, le développement en série de diffusion multiple pouvait diverger (rayon spectral, i.e. la plus grande des valeurs propres en module de la matrice de diffusion, > 1) pour des grandes tailles d'amas de LaAlO3, alors qu’il converge pour des amas de Si et de MgO de taille similaire (les deux systèmes utilisés en comparaison). Par ailleurs, au-delà de quelques centaines d’atomes, le rayon spectral de LaAlO3, même inférieur à 1, reste important ce qui rend la convergence très lente. / Non-volatile flash memories embedding nanocrystals (NC) are promissing devices for use in computers, mobiles phones or USB keys. The insertion of semiconducting (SC) or metal NC in an insulating matrix requires the elaboration of complex "oxide/metal/oxide/SC" heterostructures and the control of the associated successive growth steps. In this context, we have studied the first growth stades of Fe nanostructures elaborated by Molecular Beam Epitaxy (MBE) on the of crystalline oxides (high-k) substrates of LaAlO3(001) and LaAlO3(111). Chemical and structural properties were investigated in-situ, by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray photoelectron diffraction (XPD) and electron diffraction (RHEED and LEED), and ex-situ by transmission electron spectroscopy (TEM). A simulation study of XPD profiles, based on the theory of multiple scattering, was conducted using the Ms-Spec calculation program. The study of the growth of Fe on LaAlO3(001) at different substrate temperatures showed the existence of a narrow temperature window, around 500 °C, where Fe has epitaxial growth with Volmer-Weber type (3D islands). The RHEED, XPD and TEM analysis showed a single epitaxial relationship, where the Fe unit cell is rotated by 45° compared to the substrate one. The XPS results showed a unique chemical environment of Fe atoms (atomic form), reflecting the absence of inter-diffusion in the Fe/LaAlO3(001) interface. The study of the Fe grown on LaAlO3(111) also showed a Volmer-Weber growth mode and an abrupt interface.Moreover, further development work within the Ms-Spec code was needed to overcome the issue of multiple scattering calculations convergence usually encountered in the case of heavy atoms with high kinetic energies (La atoms in the LaAlO3). In this regard, four hypotheses were formulated : 1- Insufficient consideration of the inelastic processes ;2- The muffin-tin approximation is no longer sufficient to adequately describe the potential ;3- Unduly low intensity paths are neglected ;4- Divergence of multile scattering series used to calculate the cross section.The calculations allowed us to rule out the first three hypothesis, since no influence on convergence was found in this case. However, the fourth hypothesis was validated. Indeed, it was shown that due to the high power diffuser of the La atoms, the multiple scattering series expansion could diverge (spectral radius, i.e. the largest eigenvalue modulus of the scattering matrix,> 1) for large sizes of LaAlO3 clusters. Whereas, it converges to the clusters of Si and MgO of similar size (both systems used in comparison). Furthermore, even less than 1, spectral radius of LaAlO3 remains important beyond few hundred atoms, thus rendering the convergence very slow.

Oxidische Materialien bieten ein weites Spektrum an möglichen Anwendungen. Vor allem Isolatoren mit Perowskitstruktur eignen sich hervorragend für die optische Datenverarbeitung und -speicherung. Andere, leitende, Oxide können für die magnetische Datenspeicherung eingesetzt werden. Vorraussetzung für den praktischen Einsatz der Werkstoffe sind jedoch grundlegende Kenntnisse über deren mikroskopischen Eigenschaften und ablaufende Prozesse. Mittels Photoelektronen- und Röntgenspektroskopie können Aussagen über die elektronische Struktur getroffen werden. Die noch junge Methode der Fluoreszenz weicher Röntgenstrahlung (SXF) wurde zur Charakterisierung der elektronischen Struktur hinzugezogen. SXF-Messungen wurden an der Beamline 8.0.1 am ALS in Berkeley, Kalifornien, durchgeführt. An der Modellsubstanz MgO wurden Röntgenabsorptions- und Röntgenemissionsspektren an der Sauerstoffkante erstellt. Es zeigt sich eine hervorragende Übereinstimmung mit Modellrechnungen. Ein Bandmapping unter Ausnutzung von Resonanzphänomenen, ähnlich wie in Graphit, scheint jedoch nicht möglich zu sein. In TiO2 wurde das Ti 3d Niveau untersucht. Die Emissionsspetkren zeigen Verluststrukturen, deren Feinstruktur mit der berechneten rJDOS nachvollzogen werden konnte. In KNbO3 wurde der Beitrag der Nb 5p und O 2p-Zustandsdichte zum Valenzband untersucht. Es wurde versucht, die Anregungsenergieabhängigkeit der O 2p-Emissionsspektren mit der Bandstruktur in Verbindung zu bringen. In KTaO3 wurde erstmals der Ta 5d-pDOS-Anteil am Valenzband direkt nachgewiesen. Zudem weisen die anregungsenergieabhängigen Emissionsspektren Verluststrukturen auf, die auf eine O 2p-Ta 5d Interbandanregung schließen lassen. An Sr2FeMoO6 wurden erstmals XES-Messungen zur Bestimmung der elektronischen Struktur durchgeführt. Es zeigen sich hybridisierte O 2p-Mo 4d Zustände, die Leitungselektronen haben einen leichten Fe-Charakter. Eine gute Übereinstimmung mit Bandstrukturrechnungen wird beobachtet. Für photorefraktive Material Sn2P2S6 wurde die elektronische Struktur mittels XPS, XES und FP-LAW-Rechnungen detailliert bestimmt. An Fe-dotiertem Ba0.77Ca0.23TiO3 wurde mittels XPD unter erstmaliger Erstellung von Azimuthalspektren der Einbauplatz von Ca verifiziert und der Einbauplatz von Eisen bestimmt. Für beide Elemente ergibt sich ein vollständiger bzw. überwiegender Einbau auf dem Ba-Platz.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von organischen selbstorganisierenden (Sub-)Monolagen (sog. SAM s) auf Siliziumoxid und deren Metallisierung. Die characteristischen Strukturen dieser Oberflächen sind mit der Rasterkraftmikroskopie (RKM) untersucht worden. Im präparativen Abschnitt wird die Abscheidung des SAM (Octadecyltrichlorosilan (OTS)) in einer Toluol/Wasserlösung auf eine Siliziumoxidoberfläche und deren anschließendem lateralen Erscheinungsbild (als Octadecylsiloxan ODS) beschrieben. Die Submonolagen des ODS auf dem Oxid erscheinen in den Topografiebildern des RKM s als eine Art Insellandschaft . Diese Modellstrukturen mit stark unterschiedlicher Oberflächeneigenschaften sind in dem methodischen Teil der Arbeit unter verschiedenen äußeren Bedingungen untersucht worden. Neben der Lateralkraft (Kontakt-Modus) und der Dämpfung (dyn. Nichtkontakt-Modus) stand hier die Kontrastentstehung der Topografie im RKM im Vordergrund. Im Gegensatz zu der theoretischen Länge des ODS-Moleküls wurde eine geringere Höhe des adsorbierten Moleküls gemessen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde untersucht, wie die ODS-(Unter)Struktur das Wachstum aufgedampfter Metallschichten beeinflusst. Die Ergebnisse der Evaporation mit Silber und Eisen ergaben zum Teil überraschende Ergebnisse. Frisch aufgedampfte Filme ließen die Unterstruktur anhand der Größe der Metallcluster erkennen, wobei das Silber auf ODS größere Cluster bildete als Eisen auf ODS. Nach einer Temperaturbehandlung unterscheiden sich die Systeme sehr stark, im Falle des Fe-Substrates invertierte sich der Kontrast der Topografie.