J. Phys. France 41, 1155-1164 (1980)
DOI: 10.1051/jphys:0198000410100115500

Two-dimensional polymorphism and melting in a monolayer of nitric oxide adsorbed on graphite

J.P. Coulomb¹, J. Suzanne¹, M. Bienfait¹, M. Matecki^{1, 2}, A. Thomy^{1, 3}, B. Croset^{1, 4} et C. Marti<sup>1, 4

1</sup>  Département de Physique, Faculté des Sciences de Luminy, 13288 Marseille Cedex 2, France
²  Université de Rennes, Laboratoire de Chimie Minérale, D-35031 Rennes.
³  Laboratoire M. Letort, C.N.R.S., 54600 Villers-Les-Nancy, France.
⁴  Institut Laue-Langevin, 38042 Grenoble, France.

Abstract
Three two-dimensional (2D) solids γ, δ and β have been observed at low temperature by neutron scattering in the first monolayer of nitric oxide adsorbed on graphite. The structure of two of these solids, y and β, has been determined. In both cases, nitric oxide molecules are dimerized, but in the β phase N2O2 molecules stand up whereas in the y solid they lie down on the substrate. The β and y configurations are analogous to the packing of two planes of the nitric oxide bulk crystal namely the (001) plane for the β phase and the (101) plane for the y solid. The intermediate δ structure is not resolved but a possible unit cell is given. Increasing the temperature results in a melting of the 2D solids. A particular emphasis is made on the β-liquid transition which is shown to be first order. Other first order transitions are also observed like the β solid ⇄ δ solid, liquid ⇄ gas and y solid ⇄ gas transformations. All these results combined with previous adsorption isotherm measurements are put together in a proposed 2D phase diagram displaying three triple points, one critical temperature and one tricritical point.

Résumé
Trois solides bidimensionnels (2D) y, δ, β, sont observés à basse température par diffusion de neutrons dans une monocouche d'oxyde nitrique adsorbé sur du graphite. La structure de deux de ces solides, y et β, est déterminée. Dans les deux cas, les molécules d'oxyde nitrique sont dimérisées, mais dans la phase β les molécules N2O2 sont debout, tandis que dans le solide y elles sont couchées sur le substrat. Les configurations β et y sont analogues à l'empilement de deux plans de l'oxyde nitrique massique ; il s'agit du plan (001) pour la phase β et du plan (101) pour le solide y. La structure δ intermédiaire n'est pas résolue mais une maille est proposée. Si on augmente la température, les solides 2D fondent. On s'attache particulièrement à l'étude de la transition β-liquide qui s'avère être du premier ordre. D'autres transitions du premier ordre sont aussi observées comme les transformations β ⇄ δ, liquide ⇄ gaz et y ⇄ gaz. Tous ces résultats, ainsi que des mesures d'isothermes d'adsorption obtenues précédemment, sont rassemblés dans un diagramme de phase 2D qui présente trois points triples, une température critique et un point tricritique.

PACS
6150K - Crystallographic aspects of phase transformations; pressure effects.
6470D - Solid-liquid transitions.
68 - Surfaces and interfaces; thin films and low-dimensional systems (structure and nonelectronic properties).

Key words
adsorbed layers -- graphite -- melting -- monolayers -- nitrogen compounds -- polymorphism