Nanofils semiconducteurs : vers des objets magnétiques ultimes, mécanisme de croissance

par Marta Orrù

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Joël Cibert et de Edith Amalric.

Soutenue le 26-09-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Thierry Baron.

Le jury était composé de Frank Glas.

Les rapporteurs étaient Silvia Rubini, Michel Gendry.


  • Résumé

    La nanospintronique basée sur les semi-conducteurs implique la combinaison des fonctions nanoélectroniques et magnétiques au sein d’une nanostructure unique. Une méthode intéressante consiste en la préparation d’un semi-conducteur magnétique dilué (DMS), dans lequel le ferromagnétisme induit par les trous est obtenu par le dopage de type P. Les DMS II-VI permettent de contrôler séparément les porteurs et la concentration du Mn, puisque les ions de Mn ne sont pas des dopants électriques. Les nanofils (NW) de semi-conducteurs II-VI représentent un système modèle permettant de concevoir la fonction d’onde et la déformation au sein d’heterostructures parfaitement contrôlées et contenant les impuretés magnétiques. Ceci nécessite une croissance optimale d’heterostructures dans la géométrie des nanofils et un contrôle précis du niveau du dopant, ce qui constitue une des difficultés majeures dans l’état actuel des recherches.Dans ce contexte, mon travail de Thèse s’est focalisé sur trois principaux axes de recherche : la croissance par épitaxie par jets moléculaires de nanofils de ZnTe catalysés par nanoparticules d’Au, la maîtrise du rapport de forme des boites quantiques de CdTe insérées dans les fils de ZnTe, et le dopage azote des fils de ZnTe.Concernant la croissance des fils de ZnTe, le problème de la variabilité des temps d’incubation d’un fil à l’autre a été étudié à l’aide de la technique des marqueurs. Une nouvelle méthode basée sur la préparation du catalyseur d’Au sous flux de Zn a démontré son efficacité dans la suppression de variabilité des temps d’incubation, réduisant la dispersion des longueurs sur un même échantillon d’un facteur 10 à un facteur 2, et augmentant le taux de succès des fils verticaux de 20% à 80%. Des mesures complémentaires de diffraction des rayons X ont fourni des informations supplémentaires sur l’importance de l’orientation relative entre le catalyseur d’Au et le substrat ZnTe(111)B.Le rapport de forme des boites quantiques de CdTe est un moyen pour maîtriser leur état fondamental (entre trou léger et trou lourd). Ceci peut être obtenu en contrôlant le temps de croissance des boite quantiques, mais demande (1) la suppression de la croissance latérale (responsable de la formation de boites parasites) et (2) la reproductibilité d’un échantillon à l’autre, basée sur une maîtrise de la température de croissance avec une précision meilleure que 10 degrés. Ceci a été validé dans nos conditions de croissance par une étude croisée de croissance d’heterostructures de ZnTe avec multiples boites quantiques de CdTe et de caractérisation par microscopie électronique.Je présenterai les résultats des croissances par épitaxie pa jets moléculaires et des caractérisations des nanofils de ZnTe /ZnTe:N cœur/coquille avec dopage azoté. Des transistors à effet de champ basé sur des nanofils isolés ont été fabriqués pour la caractérisation électrique. Nous avons obtenu des fils de ZnTe/ZnTe:N cœur/coquille présentant des densités de charges de 6×18 trous/cm3 à température ambiante, du même ordre que la densité critique de Mott pour le ZnTe.

  • Titre traduit

    Semiconductor nanowires for ultimate magnetic objects : growth mechanism


  • Résumé

    Semiconductor nano-spintronics requires combining magnetism and nanoelectronics functions into a single semiconductor nanostructure. An attractive method consists in preparing diluted magnetic semiconductors (DMS), where hole-mediated ferromagnetism appears with p-type doping. II-VI DMS allow to control separately the carriers and the Mn concentrations, since the Mn ions are not electrical dopants. II-VI semiconductor nanowires (NWs) are a model system offering the possibility to engineer the wavefunction and the strain in well-chosen heterostructures containing the magnetic impurities. This requires an optimal growth of NW-based heterostructures, and the possibility to control the doping level, which is a major challenge in present NW research. In this context, my PhD project has been devoted to three main investigation axis: the growth by molecular beam epitaxy (MBE) of Au-catalyzed ZnTe NWs, the control of the aspect ratio of CdTe quantum dots (QDs) embedded in ZnTe NWs, and the nitrogen doping of ZnTe NW.Concerning the growth of ZnTe NWs, the problem of an incubation time different from NW to NW has been studied using a marker technique. A new method involving the preparation of Au catalyst under Zn flux has been demonstrate to efficiently suppress differences in the incubation times, reducing the length dispersion in the same sample to factor of 2 instead of 10 and improving the yield of vertical NWs of 80% instead of 20%. Complementary XRD experiments gave further information about the importance of the relative orientation between the Au catalysts and the ZnTe(111)B growth substrate.The aspect ratio of CdTe QDs is an important way to control the QD ground state (between light hole and heavy hole). This can be achieved by changing the growth time of the QDs, but requires (1) the suppression of the lateral growth (giving parasitic QDs) and (2) reproducibility from a sample to another which relies on a precise control of the growth temperature within a very narrow window of 10° C. This was demonstrated in our growth conditions with a coupled study of growth of multi-QD-NW CdTe-ZnTe heterostructures and transmission electron microscopy characterization.Then the results of the growth by molecular beam epitaxy and characterization of nitrogen doped ZnTe/ZnTe:N core/shell NWs will be presented. Single NW based field effect transistor were realized by electron beam lithography for electrical characterization. We were able to obtain ZnTe/ZnTe:N core/shell NWs showing a p-type carrier density of 6 ×18 holes/cm3 at room temperature, of the same order as the Mott critical density in ZnTe.


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