Structuration dynamique du substrat lors de la croissance épitaxiale

par Christophe Taillan

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Nicolas Combe et de Joseph Morillo.

Soutenue en 2012

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Dans les composants à base de semi-conducteurs ou métalliques, la réduction des zones actives à des dimensions nanométriques conduit à une amélioration de leurs performances. Ainsi, les propriétés de confinement quantique des ilots et boîtes quantiques semiconductrices ont ouvert de nouvelles voies pour la réalisation des composants optoélectroniques et photoniques. De la même manière pour les composants métalliques, la réduction des zones magnétiques actives permet d'améliorer considérablement le stockage de l'information. La bonne qualité de ces nouveaux composants passe par un contrôle fin de répartition spatiale et de la distribution en taille des structures ainsi créées. Le procédé habituellement utilisé, pour la réalisation de ces nanostructures, est la croissance épitaxiale. Un des objectifs actuels est d'utiliser les propriétés d'auto-organisation des atomes ou îlots sur le substrat qui évitent de recourir à des masquages ou des lithographies coûteuses. Dans ce cadre, différentes techniques comme la croissance Stranski-Krastanov et l'utilisation de réseaux de dislocations enterrées tirent parties des propriétés élastiques des matériaux. Cette thèse propose l'étude théorique d'une approche alternative qui permettra un contrôle fin de la position et de la distribution en taille des nanostructures : par analogie avec la formation des figures de Chladni à l'échelle macroscopique, nous proposons d'étudier l'effet d'une vibration acoustique stationnaire à la surface d'un substrat lors la croissance épitaxiale. La diffusion d'un adatome sur la surface libre d'un substrat cristallin soumis à une vibration acoustique stationnaire unidimensionnelle est étudiée par des simulations de dynamique moléculaire. La probabilité de trouver l'adatome au voisinage des ventres de déplacement transversaux du substrat est significativement supérieure à celle de le trouver dans le voisinage d'un nœud. L'effet de l'onde est étudié en fonction de l'amplitude, la fréquence et la direction de l'onde, de la surface du substrat et de la température. Dans une deuxième partie, un modèle unidimensionnel de la diffusion d'un adatome sur un substrat soumis à une onde stationnaire est résolu analytiquement. Cette étude permet de retrouver et de mieux comprendre les résultats obtenus par les simulations. Une troisième partie présente les résultats obtenus pour la diffusion d'agrégats sur une surface. Les résultats sur les très petits agrégats sont analogues à ceux obtenus pour la diffusion atomique. Des calculs préliminaires sur de plus gros agrégats obtenus par démouillage d'une surface montrent que ceux-ci peuvent se positionner préférentiellement dans le voisinage des ventres ou des nœuds de l'onde selon la phase solide ou liquide de l'agrégat.

  • Titre traduit

    Dynamic substrate structuration during epitaxial growth


  • Résumé

    In semiconductor or metallic components, reduction of active zones to nanometric dimensions leads to an improvement of their performance. Thus, quantum confinement properties of semiconductor quantum dots and arrays of have opened new solutions for the realization of optoelectronic and photonic components. Likewise for metal components, reducing active magnetic areas can significantly improve the storage of information. Quality of these new components needs a fine control of spatial distribution and size distribution of the structures thus created. The process normally used, for the realization of these nanostructures, is the epitaxial growth. A major current objective is to use self-organization properties of atoms or island on the substrate to avoid the use of masking or costly lithography techniques. In this context, different techniques, such as Stranski-Krastanov growth and buried dislocation networks, use elastic properties of materials. This thesis presents the theoretical study of an alternative approach that will allow fine control of the position and size distribution of nanostructures. Making an analogy with the formation of figures Chaldni at the macroscopic scale, we propose to study the effect of a standing acoustic vibration to the surface of a substrate during the epitaxial growth. The diffusion of an adatom on the free surface of a crystalline substrate submitted to a one-dimensional standing acoustic vibration is studied by molecular dynamics simulations. The probability of finding the adatom in the vicinity of the antinodes of transverse displacement of the surface is significantly higher than that to find in the vicinity of a node. The effect of the wave is studied as a function of the amplitude, frequency and direction of the wave, the surface of the substrate and the temperature. In the second part, one-dimensional model of diffusion of an adatom on a substrate submitted to a standing wave is solved analytically. This study allows to find and understand the results of the simulations. A third part presents the results obtained for the diffusion of clusters on a surface. The results of the very small clusters are similar to those obtained for atomic diffusion. Preliminary calculations on larger clusters obtained by dewetting of a surface show that they can position themselves preferentially in the vicinity of the antinodes or nodes of the wave according to the solid or liquid phase of the cluster.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (116 p.)
  • Annexes : Références bibliogr. en fin de chapitres

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2012 TOU3 0169
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