rappels de cristallographie et croissance cristalline

Il est nécessaire de rappeler que la matière qui nous environne est faite d’atomes et des molécules ; la plupart des atomes ont tendance à se lier entre eux pour former des groupements moléculaires stables. On sait que dans une molécule, les atomes adoptent une disposition bien définie. Par conséquent, la matière se présente sous quatre (4) états biens précis qui sont : l’état gazeux, l’état liquide, l’état solide et le plasma. Autrement dit, la molécule est composée d’atomes que l’on peut voir comme des briques élémentaires qui peuvent s’assembler de plusieurs manières:
– Si les briques s’assemblent pour former une molécule. On a des gaz, des liquides, des polymères.
– Si les briques s’entassent de manière irrégulière. On a alors de la matière dite amorphe ou vitreuse.
– Si les briques s’entassent de manière régulière, on a un cristal.

Définitions

La cristallographie est la science qui étudie la structure des cristaux, l’organisation des atomes de ces cristaux. C’est donc une étude scientifique des cristaux et des lois qui président à leur formation. Un réseau cristallin est l’ensemble des points appelés nœuds en trois dimensions qui présente la propriété suivante : lorsque l’on se translate dans l‘espace selon certains vecteurs, on retrouve exactement le même environnement que celui à l’origine.

Types de réseaux fondamentaux

Les 14 réseaux de Bravais (cubique P, cubique I, cubique F, hexagonal P, tétragonal P, tétragonal I, trigonal R, triclinique P, orthorhombique P, orthorhombique I, orthorhombique F, monoclinique P monoclinique C) correspondent à 7 modes primitifs et 7 modes dérivés. Tout système cristallin sera la dérivée de l’un des quatorze réseaux de Bravais. Notation: C : maille simple, F: maille à faces centrées, I: maille centré, R: maille rhomboédrique, P : maille primitive ;

Modes de croissance cristalline 

Le processus de cristallisation, c’est-à-dire le processus de création d’un cristal, comporte deux étapes. Le premier est la germination, terme désignant l’apparition d’une phase cristalline solide, le germe, à partir d’une phase liquide ou gazeuse. La seconde étape est la phase de croissance cristalline, processus par lequel les cristaux vont croître après germination. Cette croissance peut être naturelle ou artificielle.

On peut observer :
– Le mode de croissance 2D ou Frank-van der Merwe
Dans ce mode de croissance, les adatomes vont s’étaler de façon à recouvrir l’intégralité du substrat. Ce qui signifie que l’adsorbat mouille le substrat. Le remplissage d’une deuxième ne commence que lorsque la couche juste en dessous de celle-ci soit entièrement complétée. La croissance est donc bidimensionelle d’où le suffixe 2D. Il se rencontre généralement dans le cas où l’adsorbat et le substrat sont de même nature chimique: homoépitaxie. [2]
– Le mode de croissance 3D ou Volmer-Weber
Pour ce cas, les adatomes vont se regrouper et former des agrégats ou îlots. Donc les cristaux isolés nucléés (adatomes) s’empiètent et fusionnent sur le substrat pour former un film continu. Ainsi, l’adsorbat ne mouille pas le substrat et les atomes se développent directement sur la surface et croissent pour former des îlots 3D. Ce mode de croissance peut être exploité pour réaliser des nanostructures. En effet, presque tous les matériaux polycristallins et les films épitaxiaux subissent ce processus de croissance. Ce mode de croissance nous ramène à une structure tridimensionnelle d’où le suffixe 3D.
– Le mode de croissance 2D/3D ou Stranski-Krastanov
Ce mode de croissance est le cas intermédiaire entre le mode 2D et le mode 3D. Il se présente comme suit : après dépôts de quelques monocouches d’un matériau fortement contraint sur un substrat, présentant un fort désaccord de maille, on observe la formation d’îlots. La surface libre ainsi créée permet de relaxer les contraintes élastiques accumulées. Si l’on poursuit le dépôt on observe une coalescence des îlots et, de nouveau, une surface lisse. Le film commence par pousser selon le mode couche par couche de Frank-van der Merwe, mais à partir d’une certaine épaisseur, la croissance devient du type Volmer-Weber et ainsi des îlots se forment. On passe donc d’une mode de croissance bidimensionnelle à une mode de croissance tridimensionnelle d’où la notation 2D/3D. L’épaisseur critique à laquelle se produit le basculement d’un type de croissance à un autre dépend des propriétés physicochimiques du film et du substrat. Il est donc à noter que le désaccord de maille entre les deux va jouer un rôle important tout comme l’écart entre les tensions de surface.

Relaxation et reconstruction de surface

Dans le premier cas, appelé relaxation de surface, la symétrie de la surface est conservée, et on assiste à un déplacement rigide de toute la première couche atomique (seule la distance entre plans atomiques est modifiée par rapport au volume en approchant la surface). Dans bien des cas cela consiste en une diminution de la distance entre le premier et le deuxième plan atomique (fig 3,b),mais il peut aussi s’agir d’un déplacement latéral ou bien d’une rotation de toute la couche.

Par contre, dans le second cas, c’est la structure cristallographique même du plan de surface qui est modifiée. Dans le cas général, on parle de reconstruction lorsqu’une nouvelle symetrie de translation apparaît à la surface. Il s’agit, dans ce cas-ci, d’un réarengement local des atomes par rapport à leur position d’équilibre dans le volume, qui fait apparaître une superstructure à la surface (fig 4 ). La plus connue est certainement la reconstruction dite (7×7) de la surface (111) du silicium. La reconstruction de surface résulte donc d’une organisation périodique des atomes de surface différente de celle qu’ils ont dans le matériau massif, afin de minimiser l’´énergie de surface, et de limiter le nombre de liaisons pendantes. Ainsi, l’étude des surfaces ne pourra se faire que sous ultra-vide.

Les différentes techniques d’élaboration des couches minces 

La technique de dépôt des couches minces est répartie en deux domaines. Il existe : les processus physiques (PVD: Physical Vapor Deposition) et les processus chimiques (CVD: Chemical Vapor Deposition). Chaque processus est ensuite subdivisé de telles sortes que pour les méthodes physiques, qui se fait surtout par évaporation ; on retrouve les techniques de dépôts classiques de la microélectronique comme la Pulvérisation Cathodique, l’Epitaxie par Jets Moléculaires (MBE: Molecular Beam Epitaxy), le Dépôt par Laser Pulsé (PLD: Pulsed Laser Deposition) et l’évaporation par faisceau d’électrons. Le second processus, se scinde en deux selon qu’on ait des dépôts en solution ou des dépôts en phase vapeur. On peut citer la technique du sol-gel, le Dépôt en Phase Vapeur d’Organo-Métalliques(MOCVD: Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) et le PECVD.

Principe de fonctionnement

Les techniques de pulvérisation cathodique sont généralement utilisées pour déposer toutes sortes de matériaux : métaux, matériaux réfractaires, diélectriques, céramiques. Son principe est de bombarder la surface du matériau à déposer par les ions d’un gaz neutre (très souvent l’argon). Lors du choc sur la surface, ceux-ci communiquent leur énergie cinétique. L’éjection de particules a alors lieu et ces dernières viennent se déposer sur le substrat. L’ionisation des atomes de gaz neutre est obtenue par chocs avec les électrons libres, toujours présents dans un gaz, accélérés par une différence de potentiel entre la cathode, où est installée la cible du matériau à déposer et le substrat qui est la masse. Une fois les atomes ionisés positivement, ils sont accélérés vers la cathode.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1 : RAPPELS DE CRISTALLOGRAPHIE ET CROISSANCE CRISTALLINE
1.1 Introduction
1.2 Définitions
1.3 Types de réseaux fondamentaux
1.4 Modes de croissance cristalline
1.5 Relaxation et reconstruction de surface
1.6 Paramètres cristallins du système à étudier
Chapitre 2 : GENERALITES SUR LA COUCHE MINCE
2.1 Définition
2.2 Les différentes techniques d’élaboration des couches minces
2.2.1 La pulvérisation cathodique
2.2.1.1 Principe de fonctionnement
2.2.1.2 Les différents types de pulvérisation cathodique
2.2.2 L’Epitaxie par Jets Moléculaires (MBE : Molecular Beam Epitaxy)
2.2.3 Le Dépôt par Laser Pulsé (PLD : Pulsed Laser Deposition)
2.2.4 La technique de déposition sol-gel
2.2.5 Le dépôt en Phase Vapeur d’Organo-Métalliques (MOCVD)
2.3 Les techniques de caractérisation des couches minces
Chapitre 3: METHODE DE LA SIMULATION NUMERIQUE
3. Introduction
3.1 Ensemble Statistique
3.1.1 Notion d’ensemble statistique
3.1.2 Ensemble microcanonique (NVE)
3.1.3 Ensemble canonique (NVT ou NVB)
3.1.4 Ensemble isobare isotherme (NPT ou NPβ)
3.1.5 Ensemble grand canonique (µ VT ou µ NPB)
3.2 La Dynamique moléculaire
3.2.1 Equation de mouvement
3.2.2 Discrétisation. Algorithme de Verlet
3.2.3 Architecture d’un programme de dynamique moléculaire
3.2.3 Dynamique moléculaire dans d’autres ensembles
3.3 Effet de bord et interaction à longue distance
3.4 Le Potentiel Interatomique EAM
3.4.1 Forme analytique du potentiel EAM
3.4.2 Allure du potentiel EAM
Chapitre 4 : APPLICATION AU SYSTEME Fe/Co et Fe/Ni PAR SIMULATION DYNAMIQUE MOLECULAIRE
4.1 Introduction
4.2 Etude de la croissance
4.2.1 Résultat pour le cas du système Fe/Co(111)
4.2.2 Résultat pour le cas du système Fe/Ni(111)
4.3 Etude des structures cristallines
4.3.1 Résultat pour le cas du système Fe/Co(111)
4.3.2 Résultat pour le cas du système Fe/Ni(111)
4.4 Discussion et comparaison de Fe/Co et Fe/Ni
CONCLUSION GENERALE
Références

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