Propriétés structurales et électroniques du (Zn,M)O fabriqué par diffusion thermique d'un film mince de M déposé sur les surfaces polaires du ZnO (M = Co ou Mn)

(eng) A detailed picture of the thermally activated processes occurring at the Co/ZnO or Mn/ZnO interfaces is obtained by a combination of a wide range of techniques. The low energy electron diffraction, the scanning tunnelling microscopy and spectroscopic techniques based on Auger electron, on high energy X-ray: X-ray photoelectron and absorption spectroscopies and on the kinematical X-ray standing wave method allow not only to investigate the interaction at the heterojunction but also to describe in detail the thermal structure transformations and diffusion process. At room temperature, the growth of a few monolayers of the transition metal M (M = Co or Mn) proceeds by the nucleation of 3D nanometer-sized clusters on the polar flat surface of a ZnO single crystal. Progressive annealing up to ~1000 K allows separating the various interfacial reactions. At the lowest annealing temperature, M clusters coalesce while keeping their metallic character. The thin film is gradually oxidized to M2+ and a thin M rich ZnxM1 xO layer is formed. For M = Co, it is observed that rocksalt CoO phases may form at the surface when the initial Co thickness exceeds 1 nm. For M = Mn, upon annealing to progressively higher temperature ranging from 575 K to 800 K, various Mn oxides phases form successively. At first, the ZnxMn1 xO layer forms on top of the surface. Then, while Mn atoms diffuse deeper into the bulk of ZnO, ZnyMn3 yO4 starts to form at the surface. Finally, at the highest annealing temperature, Mn and Co appears to be substitutionally diluted at Zn sites within the ZnO lattice.

(fre) L’évolution des propriétés physico-chimiques des interfaces Co/ZnO et Mn/ZnO chauffées est élucidée par une combinaison d’un grand nombre de techniques. La diffraction d’électrons lents, la microscopie à effet tunnel et les techniques spectroscopiques basées sur les électrons Auger, sur les rayons X de haute énergie : spectroscopies de photoélectron et d’absorption et sur la méthode des ondes stationnaires permettent non seulement d’étudier les interactions à l’interface mais aussi de décrire les transformations structurales et le processus de diffusion induits thermiquement. A température ambiante, la croissance de quelques monocouches du métal de transition M (M = Co ou Mn) se fait par formation d’îlots tridimensionnels nanométriques sur les surfaces polaires planes du monocristal de ZnO. Les recuits progressifs jusqu’à des températures proches de 1000 K permettent d’identifier différentes réactions interfaciales. Pour des recuits à basse température, les îlots de M constituant le film mince déposé coalescent tout en gardant leurs propriétés métalliques. Le film mince s’oxyde graduellement sous forme de M2+ et on observe la formation d’une fine couche de ZnxM1 xO riche en M. Dans le cas du Co (M = Co), une phase de CoO en symétrie octaédrique peut se former lorsque l’épaisseur initiale du film dépasse 1 nm. Dans le cas du Mn (M = Mn), suite à des recuits progressifs entre 575 K à 800 K, on observe la formation de différentes phases d’oxydes de Mn. En premier lieu une couche de ZnxMn1 xO est formée sur la surface. Ensuite, pendant que les atomes de Mn diffusent profondément dans le ZnO, la formation du ZnyMn3 yO4 est observée à la surface. Finalement, à des plus hautes températures de recuit, le Co tout comme le Mn se diluent dans la matrice de ZnO où ils occupent des sites de Zn. Au cours de ce processus de diffusion de M dans le ZnO, la structure cristalline de la surface évolue et une surface atomiquement plane est obtenue à des températures de recuits élevées.