Étude de l'évolution thermique de surfaces vicinales de monocristaux d’alumine α : réalisation de substrats gabarits pour l’élaboration de nanostructures auto-organisées

Thermal evolution study of vicinal single crystals of alumina α : development of substrates usable as templates for the growth of self-organized nanostructures

• Auteur / Autrice : Ahmad Fakih
• Direction : Elsa Thune, René Guinebretière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Limoges
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion centrale

Microscopie à force atomique

Traitement thermique

Nanostructures

Alumine

Mots clés libres

Surfaces vicinales

Substrats gabarits

Diffusion centrale sous incidence rasante (GISAXS)

Résumé

Les systèmes nanostructurés comportant des îlots hétéroépitaxiés synthétisés sur des surfaces d’oxyde présentent un grand intérêt fondamental et technologique. Dans de tels systèmes, le contrôle de l’organisation, de la forme et de la taille des îlots est d’une importance primordiale puisque ces caractéristiques déterminent les propriétés physiques finales. L’utilisation des surfaces vicinales, présentant des marches périodiques semble être une méthode intéressante pour pouvoir auto-organiser des nanoparticules à la surface d’un substrat. Ce travail est consacré à l’étude approfondie du comportement des marches de surfaces vicinales de saphir sous traitement thermique. L’un des objectifs de ce travail est d’identifier des situations où les surfaces structurées sont suffisamment stables pour être utiliser comme substrats gabarits. Les substrats ont été traités à des températures allant de 1000 à 1500°C pendant des durées de 0,5 à 64 h et sous différentes atmosphères (air, neutre et saturée en oxygène). La morphologie des surfaces a été suivie par microscopie à force atomique (AFM) et diffusion centrale sous incidence rasante (GISAXS). L’observation de ces surfaces a permis de distinguer deux morphologies de surface : la première correspond à une mise en ordre monodimensionnelle des marches et la seconde morphologie à une mise en ordre bidimensionnelle. Au cours de ce travail, nous avons d’une part montré que l’on peut contrôler la structuration des marches en fonction des conditions du traitement thermique et de l'angle de taille et d’autre part discuté les mécanismes de diffusion et de mise en ordre des marches.

Nanostructured systems based on heteroepitaxial islands grown onto oxide surfaces are attracting intensive interest due to both the fundamental significance and potential application. In such nanosystems, the control of the shape, and the size of the islands is of prime importance in determining the overall physical properties. In addition, many of the applications so far envisaged also require precise arrangement of these structures into ordered arrays. The use of vicinal surfaces, which show atomic step separated by terraces or facet, appears as an attractive mean to produce self-organized arrays of nanostructures. This work is devoted to the detailed study of the step behaviour on vicinal surfaces of sapphire under annealing treatment. One of the objectives of this work is to identify situations, where the structured surfaces are enough stable to be used as templates. The substrates were annealed from 1000 to 1500 °C during different times ranging from 0. 5 to 64 h and under various environments (air, neutral and oxygen-saturated). The surface morphology was characterized by Atomic Force Microscopy (AFM) and Grazing Incidence Small-Angle X-ray Scattering (GISAXS). The observation of these surfaces allowed us to identify two surface morphologies: the first one corresponds to a one-dimensional ordering of steps and the second one to a two-dimensional ordering. During this work, we have demonstrated that we can control the step-ordering as a function of annealing conditions and miscut angle. Furthermore diffusion mechanisms and step-ordering processes are discussed.