Hétérostructures allotropiques de semiconducteurs IV dans des nanofils: nouvelles opportunités more-than-Moore

par Doriane Djomani (Siawa)

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Daniel Bouchier et de Gilles Patriarche.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Electrical,Optical,Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) , Nanoélectronique (equipe de recherche) et de université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-12-2014 .


  • Résumé

    Le but de ce projet de thèse et de comprendre et mettre en évidence les propriétés physiques de nouvelles hétérostructures de nanofils de germanium pour des applications technologiques d'avenir dans les secteurs de l'électronique, l'énergie ou encore la biologie. L'équipe HETERNA a en effet démontré l'existence d'une transformation de phase dans des nanofils de Ge soumis à un chauffage ainsi qu'à une contrainte de cisaillement externe. Ces budgets thermique et mécanique produisent une phase inédite Ge-2H au sein des nanofils synthétisés par la technique UHV-CVD. Un réseau périodique d'hétérostructures Ge-3C/Ge-2H (lonsdaleite) a été observé de manière systématique. La phase 2H permettrait alors d'obtenir un gap direct dans le Ge, laissant envisager des opportunités technologiques dans le domaine de la détection infrarouge. Par ailleurs, l'effet de confinement quantique produit par la nanostructuration couplé à l'alternance des phases Ge-3C/Ge-2H offre la possibilité d'applications thermoélectriques. Pour ce faire, il est fondamental de déterminer l'origine de cette transformation. Dans ce contexte, ce projet de thèse vise, dans un premier temps, à comprendre l'origine de la transformation de phase inédite Ge-2H et à mettre en lumière les mécanismes inhérents. Il s'agira, dans un second temps, de caractériser les propriétés physiques de cette phase afin de définir les nouvelles fonctionnalités de ces hétérostructures et leurs applications futures. Afin d'étendre l'étude de cette transformation aux semiconducteurs IV, des nanofils de silicium transformés par le même procédé seront également testés. L'ensemble des résultats expérimentaux devront être confrontés aux résultats de simulation effectués par l'équipe COMICs du C2N.

  • Titre traduit

    Allotropic heterostructured nanowires based on group IV semiconductors: new opportunities for more-than-Moore applications


  • Résumé

    The main objective of this project is to provide a deep understanding of the basic physical properties of novel Ge nanowires heterostructures in view of their possible technological applications. Very recently, the HETERNA team at C2N have discovered and developed an original method to achieve a martensitic phase transformation in Ge nanowires under external stress. <111>- Ge nanowires with standard diamond structure undergo a phase transformation toward a hexagonal (lonsdaleite) phase corresponding to the 2H-allotrope. The phase transformation occurs heterogeneously along the length of the nanowire and should be accounted for a nanoscale size effect. The transformation process results in an unprecedented heterostructure with embedded Ge-2H domains distributed all along the Ge nanowire. The main vision of the thesis is to give an exhaustive insight into the basic properties of heterostructures 2H/3C (lonsdaelite / cubic diamond) in Ge nanowires in order to propose novel "more-than-moore" applications of nanowires integrated on silicon. The project is split in two major objectives that are the identification of the mechanisms of martensitic transformation of Ge nanowires and the study of the physical properties of the Ge 3C-2H phase. Results of ab-initio simulations of the electronic and phononic properties will also be used to complement the experimental observations. Finally, we plan to investigate this transformation in Si nanowires to assess the general nature of this size-induced phase transformation. It is expected that by combining together the 3C and 2H phases into a Ge NW, new fascinating properties will emerge, stimulating both basic and applied research. Based on the revealed physical properties, we expect to propose a variety of interesting applications of those heterostructures. A priori, two straight applications can be envisaged: (i) Thermoelectrics: Due to the periodic formation of phase boundaries, a strong reduction of thermal conductivity is expected while electronic conductivity is slightly degraded and thus it may provide a great enhancement of the thermoelectric figure of merit. (ii) Optoelectronics: thanks to the direct small band gap, the heterostructure may be optically active in the mid-IR region and may be for instance a good candidate for detection around the CO2 or N2O absorption bands.