Nano-sondes Raman-Brillouin intégrées : étude d'oxydes ultra-fins

par Lama Yaacoub

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Jesse Groenen et de Sylvie Schamm.

Soutenue en 2014

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    L'objet de cette thèse est de développer un nouvel outil de caractérisation de la matière à l'échelle nanométrique. Nous nous basons sur une approche originale qui consiste à utiliser le son, dans le domaine THz, comme sonde de nanostructures. Les phonons acoustiques impliqués dans le processus de diffusion Raman-Brillouin (RB) sont générés et détectés dans une couche ultrafine semi-conductrice jouant le rôle de sonde intégrée. Il s'agit d'une diffusion inélastique de la lumière qui résulte des interactions photon-électron et électron-phonon. La sonde intégrée est sensible au paramètre structural (épaisseur) et aux propriétés physiques (indice optique, densité et vitesse du son) des couches qui l'environnent. Nous mettons en œuvre des expériences de spectrométrie RB. Une bonne compréhension et interprétation des données expérimentales nécessitent une comparaison avec la simulation numérique. Afin de réaliser un développement de l'outil, nous avons mis en place une stratégie où la microscopie électronique en transmission joue un rôle primordial. Elle permet de sonder localement l'organisation structurale et chimique de la matière. Nous nous sommes intéressés à des systèmes constitués d'empilements de couches d'épaisseur nanométrique. La haute sensibilité de la réponse de la sonde intégrée aux propriétés des couches environnantes ainsi qu'aux paramètres structuraux allant jusqu'à l'échelle sub-nanométrique est mise en évidence. Le concept de sonde intégrée a été mis en œuvre pour deux systèmes : alumine/silicium et oxyde de germanium/germanium. Avec le premier système modèle, nous avons démontré, par comparaison systématique entre les données RB expérimentales et simulées, que nous pouvons déterminer la vitesse du son dans une couche d'alumine d'épaisseur nanométrique. La prise en compte de la présence d'une couche interfaciale d'épaisseur nanométrique entre le silicium et l'alumine est indispensable pour décrire correctement l'empilement. Dans le second système d'intérêt technologique notamment en microélectronique, nous avons aussi mis en évidence la présence d'une couche ultramince à l'interface entre le germanium et son oxyde natif dont nous avons déterminé l'épaisseur. Par ailleurs, nous avons pu différencier les cinétiques de la ré-oxydation de la surface du Ge après traitement par eau déionisée et par acide fluorhydrique. Nous avons quantifié la consommation en Ge durant ce processus. Ce travail de thèse a démontré l'intérêt et l'efficacité des nano-sondes RB intégrées pour la détermination des propriétés physiques de couches d'épaisseur nanométrique. Il a permis en particulier d'aborder de façon pertinente des problématiques liées aux surfaces et aux interfaces.

  • Titre traduit

    Built-in Raman-Brillouin nano-probes : study of ultrathin oxides


  • Résumé

    The aim of this thesis is to develop a new tool for the characterization of materials at the nanometer scale. We rely on a novel approach using sound, in the THz range, as a probe of nanostructures. Acoustic phonons involved in the process of Raman-Brillouin (RB) scattering are generated and detected in a semiconductor ultrathin layer acting as a built-in probe. Inelastic light scattering occurs as a result of photon-electron and electron-phonon interactions. The built-in probe is sensitive to the structural parameter (thickness) and physical properties (refractive index, density and sound velocity) of the surround layers. We perform RB spectrometry experiments. A good understanding and interpretation of experimental data require a comparison with simulations. In order to achieve a development of the tool, we have implemented a strategy where transmission electron microscopy plays a crucial role. It allows to locally probe the structural and chemical organization of matter. We focus our attention to multilayer systems with thicknesses in the nanometric range. The high sensitivity of the response of the built-in probe to the properties of the surrounding layers as well as to their structural parameters up the sub-nanometer scale is highlighted. The concept of the built-in probe has been implemented for two systems: alumina / silicon and germanium oxide / germanium. With the first model system, we demonstrated that we can determine the sound velocity in a nano-layer of alumina by systematic comparison between experimental and simulated RB spectra. The consideration of the presence of a nanometric interfacial layer between silicon and alumina is essential to describe correctly the stack. With the second system of technological interest in particular in microelectronics, we also evidenced the presence of an ultrathin layer at the interface between germanium and his native oxide. We determined its thickness. Furthermore, we could differentiate between the kinetics of the re-oxidation of the Ge surface after a treatment by deionized water and hydrofluoric acid and we quantified the consumption of Ge during this proces. This thesis work demonstrated the interest and the effectiveness of built-in Raman-Brillouin nano-probes for the determination of physical properties of nano-layers. It allows in particular to tackle, in a relevant way, some issues related to surfaces and interfaces.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (157 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 147-157

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2014 TOU3 0105
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