Synthèse de nanofils et de nanostructures de GaAs par épitaxie en phase vapeur par la méthode aux hydrures (HVPE) sur substrat silicium. Application des nanofils GaAs aux piles microbiennes

Synthesis of GaAs nanowires and nanostructures by HVPE on Si substrate. Application to a microbial fuel cell based on GaAs nanowires

• Auteur / Autrice : Zhenning Dong
• Direction : Evelyne Gil
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux et Composants pour l'Electronique
• Date : Soutenance le 15/03/2017
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Vladimir Dubrovskii
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lisa Michez, Anna Fontcuberta i Morral, Yamina André, Fabrice Audonnet, Christelle Varenne, Pierre Fontanille, Christine Leroux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lisa Michez, Anna Fontcuberta i Morral

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofils

Mots clés libres

Nanofils GaAs

Croissance auto-catalysée

Épitaxie

HVPE

Pile microbienne

GaAs nanowires

Self-catalyzed growth

Epitaxy

HVPE

Microbial Fuel Cell

Résumé

Nous avons proposé d'étudier le potentiel de l'outil d'épitaxie HVPE (Hydride Vapour Phase Epitaxy) pour la croissance de nanofils de GaAs. La morphologie nanofil permet au matériau épitaxié de libérer les contraintes dans le cas de l’hétéroépitaxie et de mettre en œuvre des procédés de croissance sur des substrats à faible coût comme les substrats de silicium. Dans ce contexte, j’ai effectué la croissance auto-catalysée de nanofils et des nanoobjets de GaAs par HVPE sur substrat silicium. La HVPE utilise des molécules de GaCl synthétisées à l'intérieur du réacteur dans la zone en amont du substrat à haute température (T> 700 °C). La décomposition du GaCl est beaucoup plus difficile entre 600 °C et 700 °C. Dans ce manuscrit des calculs thermodynamiques des constantes d’équilibre de formation du gallium liquide sont donnés et analysés. Les rapports de flux atomiques III/V obtenus sont de 11 à 222, bien plus élevés que les rapports utilisés dans procédés MBE et MOVPE. Ce travail expérimental a été couplé à un travail de modélisation théorique. Une étude de la faisabilité d’utiliser un substrat constitué de nanofils de GaAs comme électrode dans une pile microbienne a également été initiée.

III-V semiconductor nanowires exhibit excellent electrical and optical properties in laterally confined geometry which is very promising for monolithic integration of photonic nanodevices on silicon substrates. Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) process growth was therefore developed in this thesis for the growth of GaAs nanowires. This report is organized into two chapters.The first chapter introduces the state-of-the-art of self-catalyzed GaAs nanowires and nano-structures on silicon substrate. We have demonstrated the growth of self - catalyzed GaAs nanowires by HVPE on un-patterned Si (111) substrates at a low temperature of 600 °C with extremely high GaCl/AsH3 flow ratios. A model that explains well the experimental findings was developed. The second part proposes the design of a Microbial Fuel Cell (MFC) prototype based on GaAs nanowire samples. A MFC prototype based on GaAs nanowire and substrate was developed.