[Nouveaux oxydes bidimensionnels] Nouvelles phases quasicristallines approximantes dans des oxydes bidimensionnels formés à partir d’hétérostructures SrTiO3/Pt(111)/Al2O3(0001)
De nouveaux oxydes bidimensionnels (2D) ont été élaborés à l’IJL à partir d’hétérostructures SrTiO3/Pt(111)/Al2O3(0001) fabriquées sir la plateforme D.A.U.M. Ces empilements de couches ultraminces ont ensuite été réduits par des traitements thermiques sous ultravide pour former des oxydes 2D présentant des structures nouvelles, sans équivalents en volume.
Ces films ont été caractérisés à l’échelle atomique par des méthodes de sciences des surfaces. Leurs structures atomiques et électroniques ont été modélisées par des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité réalisés grâce au mésocentre EXPLOR et aux centres de calcul nationaux (GENCI, TGCC, IDRIS).
Ces oxydes 2D présentent une adhésion sur le substrat métallique sous-jacent relativement forte, du fait d’interactions combinant des hybridations entre états électroniques et un transfert de charge de la couche d’oxyde vers le substrat.
Les quasicristaux sont des matériaux ordonnés à longue distance mais qui ne possèdent pas la périodicité de translation des cristaux classiques. De ce fait, ils peuvent présenter des symétries interdites comme des symétries de rotation d’ordre 5, 8, 10 ou 12. D’abord découverts dans des intermétalliques, des structures quasipériodiques ont été également identifiées en matière molle (colloïdes, phases smectiques) et plus récemment dans des oxydes de basse dimension.
Les nouvelles phases qui ont été découvertes sont des phases approximantes, c’est-à-dire des phases périodiques à grande maille présentant un ordre local similaire à celui de la phase quasicristalline. Elles sont obtenues par réduction d’un empilement SrTiO3/Pt(111)/Al2O3(0001). La structure cristalline de ces phases 2D peut être décrite par un assemblage de quelques tuiles élémentaires de forme carrée, triangulaire ou losange comme observé par microscopie à effet tunnel (STM).
Un modèle de décoration chimique des tuiles est proposé et des calculs théoriques utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité ont été réalisés, indiquant que la formation de ces systèmes est exothermique et que leur adhésion sur le substrat métallique est plus faible que celle évaluée pour des oxydes 2D de structure moins complexe.
L’optimisation des positions atomiques montre une relaxation importante dans la direction perpendiculaire à la surface, qui pourrait soulager les contraintes dues à la différence de paramètre de maille du substrat et de la couche d’oxyde. L’interaction entre le substrat et le film est assurée par l’hybridation d’états électroniques et un transfert de charge de la couche d’oxyde vers le métal sous-jacent.
Les images STM calculées sont en parfait accord avec les images expérimentales, ce qui permet de valider le modèle de structure atomique et de confirmer le caractère bidimensionnel de l’oxyde formé. Par rapport à la structure pérovskite initiale, les films 2D obtenus après réduction sont sous stœchiométriques à la fois en oxygène et en strontium.
Ce travail est le fruit d’une collaboration entre 3 équipes de l’IJL (Métallurgie et Surfaces ; Spintronique et Nanomagnétisme ; Surfaces, Spectroscopies et Modélisations) et son centre de compétences D.A.U.M.
Référence :
Titre : Two-dimensional square and hexagonal oxide quasicrystal approximants in SrTiO3 films grown on Pt(111)/Al2O3(0001).
Auteurs : C. Ruano Merchan, T. T. Dorini, F. Brix, L. Pasquier, M. Jullien, D. Pierre,
S. Andrieu, K. Dumesnil, S. S. Parapari, S. Šturm, J. Ledieu, M. Sicot, O. Copie, E. Gaudry and V. Fournée.
Nom de la revue : Physical Chemistry Chemical Physics
Date de parution (en ligne) : Mars 2022
Lien : https://doi.org/10.1039/d1cp05296a
Légende de l'image :
A gauche : image STM et cliché LEED d’un approximant quasicristallin 2D à maille géante révélant une structure de symétrie pseudo-dodécagonale.
A droite : modèle théorique de cet approximant et décoration chimique des tuiles élémentaires. Le paramètre de maille est de 44,4 Å.
