(gauche) image NC-AFM des nano-îlots d'or sur la surface AlN(0001) ; (milieu) résolution atomique obtenue par NC-AFM à basse température (5K) montrant un moiré formé par la monocouche d'atomes d'or ; (droite) superposition du modèle calculé par DFT (jaune : atome d'or, violet : atome d'aluminium, gris : atome d'azote) sur l'image NC-AFM expérimentale.

Une des étapes clés en électronique moléculaire est la réalisation de contact entre une molécule et un réservoir d'électrons. Idéalement, celui-ci doit être constitué d'une à deux monocouches d'épaisseur (nano-îlot métallique) pour pouvoir observer la molécule connectée en microscopie à force atomique en mode non contact (NC-AFM) et être déposé sur substrat isolant. Or la majorité des métaux déposés sur les isolants classiques (SiO₂, MgO, KBr…) croissent de manière tridimensionnelle (3D). Pour contourner cet obstacle nous avons choisi d'utiliser le semi-conducteur AlN qui a un gap important de 6,2 eV. La maîtrise de la croissance par épitaxie par jets moléculaires nous permet de contrôler la surface AlN(0001) à l'échelle atomique : celle-ci adopte une reconstruction (2x2)-N_ad qui comprend un atome d'azote additionnel par maille (2x2) [1]. Le dépôt d'or à 500°C sur cette surface donne lieu à la formation de nano-îlots d'or d'une monocouche d'épaisseur comme le montre l'image NC-AFM de gauche. Le transfert de l'échantillon sous ultra-haut vide (UHV) vers un microscope à force atomique fonctionnant à basse température (5 K), permet d'imager cette surface avec une résolution atomique (image du milieu). La monocouche d'or forme une figure de moiré dont l'analyse a permis de déterminer la relation d'épitaxie entre l'or et la surface AlN(0001). À partir de ces informations, plusieurs modèles atomiques ont été proposés et optimisés par des calculs DFT. Les résultats montrent que la structure la plus favorable est constituée d'une monocouche d'or interagissant avec les atomes de la reconstruction (2x2)-N_ad. En effet, cette reconstruction présente des atomes d'aluminium en configuration sp2 ayant un caractère accepteur d'électrons et des atomes d'azote additionnels avec un caractère donneur. Certains atomes d'or de la monocouche se lient ainsi avec ces deux types d'atomes d'affinité électronique différente. De plus, l'analyse des charges atomiques révèle un transfert d'électrons de la surface d'AlN vers la monocouche d'or (-0,11 |e|/Au) ainsi qu'un transfert latéral entre ad-atomes d'or. Ces mécanismes sont au cœur de la stabilisation de la monocouche d'or sur AlN(0001). La structure atomique relaxée en DFT montre une forte distorsion de la surface par rapport à un réseau hexagonal ce qui correspond à l'observation expérimentale en NC-AFM (image de droite).

Les expériences futures viseront à connecter une molécule unique à ces nano électrodes d'or et à observer le transfert de charge sur la molécule.

[1] Noncontact atomic force microscopy and density functional theory studies of the (2×2) reconstructions of the polar AlN(0001) surface, Florian Chaumeton, Roberto Robles, Miguel Pruneda, Nicolás Lorente, Benoit Eydoux, Xavier Bouju, Sébastien Gauthier, and David Martrou, Phys. Rev. B 94, 165305 (2016)

Référence

“Stabilization of Au Monatomic-High Islands on the (2×2)−Nad Reconstructed Surface of Wurtzite AlN(0001)”
Benoit Eydoux, Bulent Baris, Hassan Khoussa, Olivier Guillermet, Sébastien Gauthier, Xavier Bouju, and David Martrou
Phys. Rev. Applied 8, 044002 – Published 12 October 2017
DOI :https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.8.044002

Contacts

David MARTROU, CEMES (CNRS)
dmartrou chez cemes.fr