Etude in-situ de la formation d'oxyde ultra-mince de magnésium sur substrats métalliques et semi-conducteurs

In situ study of ultra-thin magnesium oxide growth on metallic and semiconductor substrates

• Auteur / Autrice : Brice Sarpi
• Direction : Christophe Girardeaux, Sébastien Vizzini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et nanosciences
• Date : Soutenance le 28/06/2016
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP) (Marseille, Toulon) - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Partenaire(s) de recherche : Centre : Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINAM)
• Jury : Président / Présidente : Shirley Chiang
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rachid Belkhou, Anne Hemeryck
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Shirley Chiang, Maurizio De Crescenzi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnésie

Semiconducteurs

Silicium -- Substrats

Mots clés libres

Croissance d'oxydes

Oxyde de magnésium

Films d'oxydes ultra-Minces

Siliciures ultra-Minces

Surfaces polaires

Silicium

Argent

Aes

Leed

Stm-Sts

Expériences ultra-Vide

Oxide growth

Magnesium oxide

Ultra-Thin oxide films

Ultra-Thin silicides

Polar surfaces

Silicon

Silver

Aes

Leed

Stm-Sts

UHV experiments

Résumé

Ce travail de thèse s’est inscrit dans un cadre fondamental d’étude de la formation contrôlée d’oxydes en couches ultra-minces. Un bâti ultra-vide dédié à la croissance contrôlée de ces oxydes et à leur analyse in-situ (STM-STS, AES et LEED) a été développé. Par une méthode originale de phases alternées de dépôt d’une monocouche atomique de Mg et oxydation à RT, les mécanismes impliqués dans la formation de deux systèmes à fort potentiel applicatif : MgO/Si(100) et MgO/Ag(111) ont été étudiés .Le système MgO/Si(100) a révélé la formation d’une couche ultra-mince de Mg2Si à l’interface entre le MgO et le substrat. En bon accord avec les calculs thermodynamiques réalisés, une cristallisation de cette couche interfaciale dans un processus de dissociation partielle du Mg2Si en MgO à température ambiante a été observée. Identifiée ex-situ par TEM, la relation d’épitaxie associée à cette cristallisation a permis de conclure à la formation d’une hétérostructure MgO / Mg2Si (11-1) / Si(001), témoignant d’une grande qualité d’interface avec le silicium et de la formation d’une couche ultra-mince et amorphe de MgO homogène et isolante (gap de 6 eV).Pour le système MgO/Ag(111), nos résultats expérimentaux couplés aux calculs ab initio de nos partenaires du LAAS ont révélé l’absence de formation d’un alliage de surface ainsi qu’une croissance « liquid-like » du magnésium à RT. Un double empilement O/Mg/O/Mg/Ag(111) suivi d’un recuit UHV à 430°C a ensuite permis la stabilisation d’une couche ultra-mince polaire de MgO(111) qui a été caractérisée par LEED et STM-STS. Les propriétés physico-chimiques et origines possibles de stabilité de cet oxyde polaire ont ensuite été discutées.

This PhD work was dedicated to studying the fundamental mechanisms driving the controlled growth of ultra-thin oxide films. An experimental set-up was designed to finely control the growth parameters under UHV conditions while allowing the study of such oxide layers in situ with STM-STS, AES and LEED. Using an original method based on alternate cycles of Mg monolayer adsorption and RT oxidation, we focused on the formation of systems exhibiting a wide range of potential applications: MgO/Si(100) and MgO/Ag(111). The MgO/Si(100) system revealed the growth of an ultra-thin Mg2Si layer at the interface between the MgO and the silicon. In agreement with thermodynamic calculations, a crystallization of this interlayer driven by a partial decomposition of the Mg2Si to a MgO oxide was shown to occur at RT. From ex situ TEM experiments, the involved epitaxial relationship highlighted the formation of an MgO / Mg2Si (11-1) / Si(001) heterostructure. A sharp interface with the silicon was formed, as much as an ultra-thin and amorphous MgO layer exhibiting both a good homogeneity and a high insulating character (bandgap of 6 eV).In the MgO/Ag(111) system, no interfacial alloy formation and a « liquid-like » growth for the Mg were evidenced at RT, using our experimental results coupled with the ab initio calculations performed by our co-workers at LAAS laboratory. Later, a double-layering O/Mg/O/Mg/Ag(111) grown at RT followed by UHV annealing at 430°C resulted in the stabilization of a polar MgO(111) ultra-thin film, which was characterized using LEED and STM-STS. The physicochemical properties of this polar oxide and the potential origin of its stability were discussed.