Synthèse propriétés hautes pressions et phases métastables des alliages SixGe1-x

Synthesis, high pressure behaviour and metastable phases of SixGe1−x alloys

• Auteur / Autrice : Max Gerin
• Direction : Vittoria Pischedda, David Amans, Sylvie Le Floch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/10/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Gérard Panczer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vittoria Pischedda, Oleksandr O. Kurakevych, Natalia Doubrovinskaia, Fannie Alloin, Patrice Mélinon, Neeraj Sharma
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Oleksandr O. Kurakevych, Natalia Doubrovinskaia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transitions de phases

Germanium -- Alliages

Silicium -- Alliages

Hautes pressions

Mots clés libres

Alliages Silicium Germanium

Synthèse

Haute pression

Phase métastable

SiGe alloys

Synthesis

High pressure

Metastable phase

Résumé

Comprendre les mécanismes de transition vers les phases métastables des alliages silicium germanium est un levier clé pour les futures avancées technologiques dans le domaine des semi-conducteurs et de l'énergie. Les techniques haute pression ont démontrées leur efficacité pour explorer les propriétés ainsi que les nouvelles phases du silicium et germanium, menant à la découverte de nombreuses phases métastables ayant des propriétés exotiques. Cependant, peu de travaux expérimentaux existent sur le comportement et les phases métastables accessibles des alliages silicium germanium. Principalement car la synthèse d'alliages homogène et de bonne qualité est compliquée à mettre en œuvre expérimentalement. Dans cette étude, nous présentons d'abord un protocole permettant de synthétiser diverses compositions d'alliages en utilisant la fusion par arc et des traitements thermiques. Nous présentons ensuite les comportements à haute pression du germanium et des alliages SiGe en utilisant des expériences Paris-Edimbourg et cellule enclumes diamant couplées avec des techniques de caractérisation in-situ, comme la diffraction à rayon X et la spectroscopie Raman. Lors de la compression, nous reportons les propriétés structurelles, mécaniques et vibrationnelles de la phase naturelle diamant des alliages SiGe, ainsi que les mécanismes de la transition vers la phase β métallique. Lors de la décompression, nous observons la transition de nos alliages vers de nouvelles structures SiGe-R8 et SiGe-BC8. La température est notamment discutée comme étant un paramètre clé pour permettre de faciliter cette transition lors des expériences en presse gros volume, permettant potentiellement de synthétiser de larges quantités de phases métastables. Les résultats expérimentaux sont discutés avec ceux de la littérature ainsi que des résultats obtenus par DFT.

Understanding the transition pathway toward metastable phases in SiGe alloys is a key issue for future generations of semiconductor and energy-related technology. High pressure techniques have proven to be a very efficient method of exploring new phases and properties in germanium and silicon, leading to the discovery of a large number of metastable phases with exotic properties. However, there is only a few experimental reports on the high-pressure behaviour of Si_x Ge_(1-x) alloys, mainly due to the difficulty to synthesize homogeneous SiGe alloys of good quality. In this study, we first present synthesis pathways toward homogeneous polycrystalline SiGe alloys of different compositions using arc melting and high temperature treatments. Then, we report the high pressure behaviour of Ge and SiGe alloys studied using Paris-Edinburgh press and diamond anvil cells coupled with in-situ characterization techniques such as Raman spectroscopy and X-ray diffraction. Upon compression, the behaviour of the stable SiGe diamond phase is reported along with transition toward the β-metallic phase. During decompression, the formation of new metastable structures named SiGe-R8 and SiGe-BC8 is observed in SiGe alloys. Temperature is discussed as a key parameter to drive the diamond to β transition in large volume presses, possibly allowing synthesis of large quantities of metastable phases. The experimental results are discussed in comparison to those reported in the literature and using DFT simulations.