Theoretical study of the stability and the mobility of noble gas atoms in silicon and silicon carbide

par Azzam Charaf Eddin

Thèse de doctorat en Milieux denses, matériaux et composants

Sous la direction de Laurent Pizzagalli.

Soutenue en 2011

à Poitiers .

  • Titre traduit

    Étude théorique de la stabilité et de la mobilité des atomes de gaz nobles dans le silicium et le carbure de silicium


  • Résumé

    Les propriétés d'un atome de gaz noble (He, Ne, Ar, Kr, Xe) en interaction avec une matrice de silicium ou de carbure de silicium cubique ont été déterminées à l'aide de simulations numériques ab initio et d'une technique de recherche des points cols, afin de mieux comprendre les premiers stades de la formation de défauts étendus de type bulle dans ces matériaux. Nous avons ainsi obtenu les configurations les plus stables et leurs énergies de formation, de type interstitiel dans un cristal parfait et de type complexe en présence de monolacunes et de bilacunes. Dans un second temps, nos simulations ont permis la détermination des mécanismes de migration des interstitiels de gaz nobles et des complexes, ainsi que les énergies d'activation associées, dans le cas du silicium. En particulier, nous proposons un nouveau mécanisme d'échange pour la migration d'un complexe gaz noble-bilacune. Dans tous les cas, la plupart des résultats s'explique par un effet stérique découlant du caractère inerte des gaz nobles, avec quelques exceptions concernant l'hélium. Enfin, les mécanismes permettant à un atome d'hélium ou de néon de sortir ou d'entrer dans une bulle déjà formée dans le silicium, ont été déterminés en prenant en compte l'influence de la pression et de la température au sein de la bulle. Ces travaux ont permis de montrer la perméabilité de la surface de Si, ainsi que d'estimer une pression interne comprise entre 3 et 6 GPa pour une bulle remplie d'hélium, en accord avec les expériences.


  • Résumé

    The properties of a noble gas atom (He, Ne, Ar, Kr, Xe) interacting with a silicon or a cubic silicon carbide matrix have been determined using first-principles numerical simulations and a saddle points searching technique, in order to better understand the first steps of the formation of extended defects such as bubbles in these materials. Hence, we have obtained the most stable configurations, interstitials in a perfect crystal and complexes in presence of mono and divacancies, as well as their formation energies. In a second step, our simulations have allowed us to determine the migration mechanisms of noble gas interstitials and of complexes, and the associated activation energies, in the case of silicon. In particular, we propose a new exchange mechanism for the migration of a noble gasdivacancy complex. In all cases, most of our results can be explained by a sterical effect ensueing from the inert character of noble gas, with few exceptions for He. Finally, the mechanisms allowing for a He and Ne atom to enter or escape an already formed bubble in silicon, have been computed taking into account the influence of pressure and temperature into the bubble. These works revealed the permeability of the silicon surface, and indicate that the internal pressure for a He-filled bubble ranges from 3 to 6 GPa, in agreement with experiments.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (142 p.)
  • Annexes : Bibliogr. 154 réf.

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