Stoechiometrie, structure et tenue en champs electrique d’un film ultra mince de NbOx=1 sur Nb(110)

Manuscrit de la thèse Ce travail, à une échelle nanométrique, s’inscrit dans l’étude des surfaces de niobium des cavités HF supraconductrices utilisées dans certains accélérateurs de particules. Il permet d’aborder sous un nouveau jour les principales limitations dans les performances des cavités : l’émission de champ et les pertes HF. Ce travail concerne la st½chiométrie, la structure et la tenue en champ électrique d’un film mince d’oxyde NbO_x»1 obtenu par ségrégation d’oxygène à partir du volume d’un échantillon de Nb(110). L’étude par spectroscopie de photoémission du niveau de c½ur Nb(3d) (SNC) montre la présence de plusieurs états de valence du niobium dans la couche constituée par la couche d’oxyde et les premiers plans atomiques du métal. La st½chiométrie de l’oxyde correspond à un mélange de NbO_1-e et NbO_1+e (e » 0.2) avec une épaisseur de 1.3 ± 0.2 plans de niobium dans NbO(111). L’interface entre NbO_x»1 et le volume du métal Nb est formée par un composé avec une st½chiométrie proche de Nb₂O et d’oxygène interstitiel au voisinage immédiat de la surface, avec une concentration atomique de 10% ± 2%. La structure atomique de ces surfaces oxydées est explorée avec un microscope à effet tunnel (STM) associé à une étude en diffraction d’électrons lents (DEL). Par le biais de ces deux techniques, la structure superficielle de l’oxyde NbO_x»1 apparaît complexe à toutes les échelles d’observation (défauts ponctuels et linéaires, fautes d’empilement, …). Par STM, cette structure dévoile un arrangement quasi-périodique de bâtonnets rectilignes proéminents séparés par des bâtonnets sombres en zigzag, le tout formant des lamelles juxtaposées. En tenant compte de ces bâtonnets et de leur arrangement pseudo-périodique, cette structure peut être décrite de manière originale comme le pavage de Nb(110) par des nanocristaux de NbO(111) vérifiant la relation d’épitaxie de Kurdjumov-Sachs. Dans cette relation d’épitaxie, la face (111) de l’oxyde NbO cfc est parallèle à la face (110) du métal cc et une direction dense [110] de la face (111) est parallèle à une direction dense [111] du réseau orienté (110). Enfin, l’origine de cette nanostructuration a été attribuée aux contraintes mécaniques subies par la couche d’oxyde et liées aux désaccords (« misfit ») entre les deux réseaux. Un modèle atomique rigide tridimensionnel du nanocristal est proposé en combinant les résultats de STM et de SNC. D’autre part, à l’aide du STM, l’influence d’un fort champ électrique sur la structure d’oxyde se traduit par une modification permanente et irréversible de la structure d’oxyde lorsque la valeur du champ électrique devient supérieure à 5000 ± 2000 MV.m^-1. Cette valeur du champ « microscopique » est du même ordre de grandeur que celle correspondant à l’amorçage de l’émission de champ dans les cavités lorsqu’il existe un renforcement local du champ électrique.