Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés à l'Institut d'Optique Théorique et Appliquée d'Orsay dans le groupe "couches minces" dirigé par J.P. Chauvineau dont le thème fédérateur des activités est la réalisation et la caractérisation de couches ultra minces de quelques fractions à quelques nanomètres d'épaisseur. Ces systèmes physiques, dont les épaisseurs sont de l'ordre de quelques distances inter-atomiques, présentent souvent des propriétés différentes de celles des matériaux massifs : celles-ci s'expliquent par des effets dimensionnels et/ou d'effets de structure cristalline qui modifient la structure électronique, les propriétés optiques, électriques, magnétiques... Il est ainsi possible d'étudier des problèmes de physique fondamentale originaux et captivants qui peuvent déboucher à court terme sur des réalisations technologiques nouvelles que ce soit dans le domaine des couches minces magnétiques (celui dans lequel j'ai été essentiellement actif) ou dans celui des réflectomètres et/ou monochromateurs X-UV, autre branche d'activité très importante du groupe "couches minces". Il est essentiel de noter que ces propriétés nouvelles ne peuvent s'interpréter correctement que par une connaissance fine des mécanismes de croissance ainsi que des structures cristallographiques et géométriques des échantillons réalisés. C'est ce but que nous avons constamment poursuivi en multipliant les méthodes d'analyse qu'elles soient in-situ et fonctionnant pendant les dépôts ou bien encore ex-situ après la réalisation des échantillons.<br />Mon travail a d'abord consisté à étudier le système de bicouches or et indium par des mesures fines, non destructives et fonctionnant pendant les dépôts de ces matériaux, telles que la mesure de la résistance électrique, du travail de sortie puis par diffraction d'électrons rapides rasants et finalement en utilisant des expériences d'absorption d'électrons de faible énergie. Les expériences de mesure de la résistance électrique nous ont permis de mettre en évidence, suivant les épaisseurs d'indium et les températures de dépôts, des modifications irréversibles que nous avons pu localiser à l'interface or/indium. Il a été possible également d'étudier leur rôle sur les effets de taille quantiques (ETQ) qui avaient été mis en évidence, pour la première fois, sur le même système par des mesures de résistance électrique par C. Pariset et J.P. Chauvineau[1, 2]. Ce phénomène d'ETQ a été ensuite décelé, d'une part par des mesures de travail de sortie en utilisant deux méthodes, celle dite de Kelvin, utilisant un pendule vibrant, et celle de la diode, et d'autre part par la diffraction d'électrons rapides rasants (RHEED). Pour pouvoir interpréter la valeur anormalement élevée de la période de ces oscillations d'ETQ détectées par les méthodes précédentes nous avons monté une expérience d'absorption d'électrons de faible énergie au travers de ces bicouches or/indium qui ont confirmé nos premières hypothèses. Le développement de ces différents résultats constituera la première partie de mon exposé.<br />Puis, dans une deuxième partie, j'exposerai les expériences de caractérisation fine des interfaces de système constitués par la superposition de couches nanométriques de métaux nobles et de métaux de transition magnétiques. Je détaillerai les résultats obtenus par RHEED, réflectométrie de rayons X mous, par diffraction de rayons X et des mesures d'EXAFS ainsi que les propriétés magnétiques nouvelles découvertes sur ces échantillons par les équipes avec qui nous avons mené, et menons encore, des collaborations étroites.<br />Pour finir je présenterai la nouvelle expérience que nous mettons en ce moment au point en collaboration avec l'équipe dirigée par G. Lampel du Laboratoire de la Physique de la Matière Condensée de l'Ecole Polytechnique à Palaiseau ainsi que les premiers résultats obtenus. Il s'agit d'étudier l'interaction d'électrons de faible énergie et polarisés en spin avec des couches minces magnétiques pour pouvoir comprendre plus finement l'origine des phénomènes de magnétorésistance géante découverts sur les échantillons évoqués dans la deuxième partie et de mesurer de manière directe les libres parcours moyens des électrons quand ceci ont des énergies faibles (quelques eV tout au plus).

This work investigates the initial growth of iron and iron oxides on Ag(001). Surface structure and morphology of both post deposition annealed Fe films (in UHV and O2 atmosphere) as well as reactive grown iron oxide films will be analyzed in detail by low energy electron diffraction (LEED) and scanning tunneling microscopy (STM). The stoichiometry at the surface of the iron oxide films will be determined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Auger electron spectroscopy (AES). The main focus of this work is to shed light on the question whether the growth of iron oxide films on Ag(001) is accompanied by the formation of strain reducing dislocation networks, or superstructures as found for other metal substrates in former studies. Here, we will distinguish between Fe films which were post deposition annealed in a thin O2 atmosphere and reactively grown iron oxide films.

In the presented thesis thin praseodymia films on non-passivated and passivated Si(111) substrates were investigated. The first part deals with PDA of praseodymia films with fluorite structure under UHV conditions in the temperature region from RT to 600°C. Here, a sophisticated model of the annealing process of praseodymia films is established. This is done by detailed analysis of XRD measurements using the kinematic diffraction theory in combination with the analysis of GIXRD, XRR and SPA-LEED measurements. It is shown that the untreated films, which are oxidized in 1 atm oxygen to obtain fluorite structure, do not exhibit pure PrO2 stoichiometry as it was assumed before. Instead, they decompose into two laterally coexisting species exhibiting a PrO2 and a Pr6O11. oxide phase, respectively. These species are laterally pinned to the lattice parameter of bulk Pr6O11. Homogeneous oxide films with Pr6O11 phase can be observed after annealing at 100°C and 150°C. Here, lateral strain caused by the pinning of the species is minimized and an increase of the crystallite sizes is determined. If higher annealing temperatures are applied, the film decomposes again into two coexisting species. Finally, after annealing at 300°C, a mixed crystalline film with both Pr2O3 and Pr2O3+Delta oxide phases is formed, where Delta denotes a considerable excess of oxygen within the sesquioxide phase. Again the lateral strain increases due to the tendency of praseodymia phases to increase their lattice parameters during oxygen loss combined with the lateral pinning. This is accompanied by a decrease of crystallite sizes, which are afterwards comparable to those of the untreated films. Further annealing at temperatures above 300°C does not significantly change the structure of the oxide film. However, the increase of the amorphous Pr-silicate interface between Si substrate and oxide at the expense of the crystalline oxide can be observed after annealing at higher temperatures. Furthermore, an increased mosaic spread of the crystallites occurs, which reduces the lateral strain caused by the oxygen loss. Nevertheless, the crystalline structure is stable against further annealing up to temperatures of 600°C. Transportation of the sample under ambient conditions after annealing at 200°C and 300°C leads to the formation of an additional crystalline structure at the surface which cannot be allocated to any praseodymia phase and may be explained by the contamination of the topmost crystalline layers with Pr-hydroxides. The results obtained from praseodymia films annealed in 1 atm nitrogen show that these films are good candidates to form homogeneous oxide films with pure cub-Pr2O3 structure by subsequent annealing in UHV. Here, a single oxide species is already observed after annealing at 300°C by SPA-LEED measurements which is in contrast to praseodymia films with fluorite structure where higher annealing temperatures (600°C) are necessary. In this case, negative effects like interface growth or increased defect density (mosaics, grain boundaries) can be minimized. Investigations on oxygen plasma-treated praseodymia films to obtain pure PrO2 stoichiometry are presented in the second part. Oxygen plasma-treated samples are compared with samples oxidized in 1 atm oxygen regarding the structure of the crystalline film. For this purpose, XRR and XRD measurements are performed to get structural information of the oxide film, which can be used to identify the corresponding oxide phases. Here, significantly smaller lattice constants of the crystalline oxide species can be observed after plasma treatment, which points to the incorporation of additional oxygen atoms. This verifies former studies, where a higher oxidation state of the oxide film was found by XPS measurements and it shows that plasma-treated films exhibit a higher oxidation state than films oxidized in 1 atm oxygen due to the availability of reactive atomic oxygen in the plasma. Furthermore, the Pr-silicate interface between crystalline film and Si substrate is not increased during plasma treatment. In the last part of the presented thesis, first results from the epitaxy of praseodymia films on Cl-passivated Si substrates are shown. The aim is to suppress the Pr-silicate formation during the growth process. Thus, praseodymia films are grown on passivated and non-passivated substrates to compare the crystallinity of both samples using XSW and LEED measurements. The structure of the oxide films on Cl-passivated Si is determined afterwards by XRR. It is shown that crystalline films with cub-Pr2O3 structure and several nanometer thickness can be successfully grown on Cl-passivated substrates. Here, the Pr-silicate interface layer are restricted to a single mono-layer. In contrast, the films grown on non-passivated substrates are completely amorphous containing Pr-silicates and Pr-silicides.

Die epitaktische Wachstum von GeTe Dünnschichten und Sb2Te3/GeTe Übergittern durch Molekularstrahlepitaxie wird auf drei verschiedenen Silizium Oberflächen gezeigt: Si(111)−(7×7), Si(111)−(√3×√3)R30°−Sb, und Si(111)−(1×1)−H. Mit Röntgenstrukturanalyse wird bewiesen, dass die epitaktische Beziehung der GeTe Schicht von der Oberflächepassievierung abhängig ist; auf einer passivierten Fläche können verdrehte Domänen unterdrückt sein. Dieses Verhalten ähnelt dem, welches bei 2D Materialien zu erwarten wäre, und wird auf die Schwäche der Resonanten ungebundenen Zustände zurückgeführt, die durch Peierls Verzerrung noch schwächer werden. / The growth by molecular beam epitaxy of GeTe and Sb2Te3/GeTe superlattices on three differently reconstructed Si(111) surfaces is demonstrated. Namely, these are the Si(111)−(7×7), Si(111)−(√3×√3)R30°−Sb, and Si(111)−(1×1)−H reconstructions. Through X-ray diffraction, the epitaxial relationship of GeTe is shown to depend on the passivation of the surface; in-plane twisted and twinned domains could be suppressed on a passivated surface. This behavior which resembles what would be expected from lamellar materials, is attributed to the relative weakness of resonant dangling bonds, that are further weakened by Peierls distortion.

Thin metallic films with magnetic properties like magnetite are an interesting material in current technological applications. In the presented work the iron oxide films are grown by molecular beam epitaxy on MgO(001) substrates at temperatures between room temperature and 600K. The film and surface structure are investigated by x-ray reflectometry (XRR), x-ray diffraction (XRD) and low energy electron diffraction (LEED). The chemical properties are investigated by x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Furthermore, charge transfer multiplet (CTM) calculations are performed as a means to gain additional information from photoemission spectra. It is shown that only for temperatures higher than 500K the oxide film forms a spinel structure. A previously unobserved (2x1) surface reconstruction in two orthogonal domains is found for various preparation conditions. The application of CTMs results in good quantitative and qualitative agreement to other methods for the determination of the film stoichiometry. In addition CTMs can well describe the segregation of Mg atoms into the oxide film either during film growth or during film annealing. It is found that initially Mg substitutes Fe on all possible lattice sites, only for prolonged treatment at high temperature do Mg atoms favour the octahedral lattice sites of divalent Fe.