Croissance in situ de nanofils de silicium et germanium dans la phase métastable hexagonale-diamant

In situ growth of silicon and germanium nanowires in the metastable hexagonal-diamond phase

• Auteur / Autrice : Eric Ngo
• Direction : Jean-Luc Maurice
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 13/04/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Frank Glas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Maurice, Vladimir Dubrovskii, Martien Ilse den Hertog, Frances M. Ross, Anna Fontcuberta i Morral, Martin Foldyna
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vladimir Dubrovskii, Martien Ilse den Hertog

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie électronique

Germanium -- Alliages

Silicium -- Alliages

Nanofils

Microtechniques

Science des matériaux

Mots clés libres

Croissance

Nanofils de silicium/germanium

Microscopie électronique

Growth

Silicon/germanium nanowires

Electron microscopy

Résumé

Ce travail a trait à l'identification et la compréhension des mécanismes de formation de la phase cristalline métastable hexagonale-diamant (polytype 2H) dans des nanofils de silicium ou germanium. D’après les simulations numériques, cette phase présente des propriétés électroniques et optiques spécifiques et intéressantes. Notre principal outil d’investigation a été NanoMAX, un microscope électronique en transmission modifié, équipé de sources atomiques et d'un générateur de radicaux, permettant l’observation in situ, à l’échelle atomique et en temps réel, de la synthèse de cette phase.Pour faire croître les nanofils de silicium et de germanium, nous avons utilisé la méthode de croissance dite "VLS" (vapeur-liquide-solide) ou le nanofil précipite à partir d’atomes de silicium ou de germanium en solution dans une nanoparticule formant un eutectique liquide avec l’élément à déposer. Les atomes étaient apportés par le craquage de molécules gazeuse et également, dans le cas du germanium, depuis une source à effusion.Nous montrons que la phase hexagonale-diamant est principalement présente dans les nanofils de silicium dont la croissance a été catalysée par une particule de cuivre-étain. Des nanofils de petit diamètre facilitent la formation de cette phase, ce qui est cohérent avec les prédictions des simulations ab initio. En considérant uniquement les nanofils de diamètre inférieur à 7 nm, le ratio de nanofils présentant cette phase est de 20 %. Aux températures de croissance et en présence de silane, il se passe une ségrégation spatiale du cuivre et de l'étain dans les catalyseurs. Une interface entre de l'étain liquide et un siliciure de cuivre solide se créée alors. Cette interface semble faciliter la formation de la phase métastable hexagonale-diamant.

The topic of this work is the identification and the understanding of the formation mechanisms of the metastable hexagonal-diamond crystalline phase (2H polytype) in silicon and germanium nanowires. Following numerical simulations, that phase presents specific and interesting electronic and optical properties. Our main investigation tool has been NanoMAX, an advanced transmission electron microscope equipped with atomic sources and a radical generator, allowing the in situ observation, at the atomic scale and in real time, of the synthesis of this phase.To grow silicon and germanium nanowires, we used the so-called "VLS" (vapor-liquid-solid) method, where the nanowire precipitates from Si or Ge atoms in solution in a liquid catalyst eutectic droplet. The atoms were brought to the catalyst by cracked gas molecules or also, in the case of Ge, directly from an effusion source.We show that the diamond-hexagonal phase is found to form mainly in silicon nanowires with the help of a copper-tin catalyst. A small nanowire diameter is found to stabilize this phase consistently with ab initio simulations. The yield of silicon nanowires with a hexagonal-diamond part is 20 % when the diameter is below 7 nm. At the growth temperature and in the presence of silane, there is a spatial segregation of copper and tin in the catalysts, which leads to the creation of an interface between liquid tin and solid copper silicide. This interface is thought to facilitate the formation of the metastable hexagonal-diamond phase.