Growth and characterization of CoO ultra thin films

In this report we present the growth process of the cobalt oxide system using reactive electron beam deposition. In that technique, a target of metallic cobalt is evaporated and its atoms are in-flight oxidized in an oxygen rich reactive atmosphere before reaching the surface of the substrate. With a trial and error procedure the deposition parameters have been optimized to obtain the correct stoichiometry and crystalline phase. The evaporation conditions to achieve the correct cobalt oxide salt rock structure, when evaporating over amorphous silicon nitride, are: 525 K of substrate temperature, 2.5·10-4 mbar of oxygen partial pressure and 1 Å/s of evaporation rate. Once the parameters were optimized a set of ultra thin film ranging from samples of 1 nm of nominal thickness to 20nm thick and bulk samples were grown. With the aim to characterize the samples and study their microstructure and morphology, X-ray diffraction, transmission electron microscopy, electron diffraction, energy dispersive X-ray spectroscopy and quasi-adiabatic nanocalorimetry techniques are utilised. The final results show a size dependent effect of the antiferromagnetic transition. Its Néel temperature becomes depressed as the size of the grains forming the layer decreases.

Mécanismes de recuit dans le silicium implanté par faisceau d’ion caractérisés par nanocalorimétrie

Nous présenterons le procédé de fabrication, la caractérisation, ainsi qu’un modèle numérique permettant l’optimisation d’un nouveau dispositif permettant d’effectuer des mesures de nanocalorimétrie sur un échantillon de silicium monocristallin. Ce dernier possède entre autre des propriétés thermiques nous permettant d’effectuer des mesures à des températures supérieures à 900 C, avec une résolution meilleure que 16 C. Ceci nous a permis d’étudier la dynamique des défauts induits par implantation ionique dans le silicium monocristallin. Deux comportements différents sont observés dans la germination de la phase amorphe induite par implantation à 10 et 80 keV. Ces résultats ont été confrontés à des simulations Monte-Carlo basées sur le modèle des paires lacunesinterstitiels. La comparaison entre les simulations et les mesures expérimentales ont montré que ce modèle est incomplet car il ne reproduit qualitativement que certaines caractéristiques observées expérimentalement. Des mesures réalisées à partir de -110 C dans le silicium monocristallin et amorphisé implanté avec des ions légers, ont mis en évidence des différences claires entre la relaxation dans le silicium amorphe et le recuit des défauts dans le silicium monocristallin. Deux processus à des énergies d’activation de 0.48 et 0.6 eV ont été observés pour les implantations réalisées dans le silicium monocristallin tandis qu’un relâchement de chaleur uniforme ne révélant qu’un spectre continu d’énergie d’activation a été observé dans le silicium amorphe.

Étude de la formation et de l'évolution de nanostructures par méthodes Monte Carlo

Cette thèse, composée de quatre articles scientifiques, porte sur les méthodes numériques atomistiques et leur application à des systèmes semi-conducteurs nanostructurés. Nous introduisons les méthodes accélérées conçues pour traiter les événements activés, faisant un survol des développements du domaine. Suit notre premier article, qui traite en détail de la technique d'activation-relaxation cinétique (ART-cinétique), un algorithme Monte Carlo cinétique hors-réseau autodidacte basé sur la technique de l'activation-relaxation nouveau (ARTn), dont le développement ouvre la voie au traitement exact des interactions élastiques tout en permettant la simulation de matériaux sur des plages de temps pouvant atteindre la seconde. Ce développement algorithmique, combiné à des données expérimentales récentes, ouvre la voie au second article. On y explique le relâchement de chaleur par le silicium cristallin suite à son implantation ionique avec des ions de Si à 3 keV. Grâce à nos simulations par ART-cinétique et l'analyse de données obtenues par nanocalorimétrie, nous montrons que la relaxation est décrite par un nouveau modèle en deux temps: "réinitialiser et relaxer" ("Replenish-and-Relax"). Ce modèle, assez général, peut potentiellement expliquer la relaxation dans d'autres matériaux désordonnés. Par la suite, nous poussons l'analyse plus loin. Le troisième article offre une analyse poussée des mécanismes atomistiques responsables de la relaxation lors du recuit. Nous montrons que les interactions élastiques entre des défauts ponctuels et des petits complexes de défauts contrôlent la relaxation, en net contraste avec la littérature qui postule que des "poches amorphes" jouent ce rôle. Nous étudions aussi certains sous-aspects de la croissance de boîtes quantiques de Ge sur Si (001). En effet, après une courte mise en contexte et une introduction méthodologique supplémentaire, le quatrième article décrit la structure de la couche de mouillage lors du dépôt de Ge sur Si (001) à l'aide d'une implémentation QM/MM du code BigDFT-ART. Nous caractérisons la structure de la reconstruction 2xN de la surface et abaissons le seuil de la température nécessaire pour la diffusion du Ge en sous-couche prédit théoriquement par plus de 100 K.

Effets des recuits ultra-rapides (10^5 K/s) sur la formation des siliciures métalliques en phase solide

La synthèse de siliciures métalliques sous la forme de films ultra-minces demeure un enjeu majeur en technologie CMOS. Le contrôle du budget thermique, afin de limiter la diffusion des dopants, est essentiel. Des techniques de recuit ultra-rapide sont alors couramment utilisées. Dans ce contexte, la technique de nanocalorimétrie est employée afin d'étudier, in situ, la formation en phase solide des siliciures de Ni à des taux de chauffage aussi élevés que 10^5 K/s. Des films de Ni, compris entre 9.3 et 0.3 nm sont déposés sur des calorimètres avec un substrat de a-Si ou de Si(100). Des mesures de diffraction de rayons X, balayées en température à 3 K/s, permettent de comparer les séquences de phase obtenues à bas taux de chauffage sur des échantillons de contrôle et à ultra-haut taux de chauffage sur les calorimètres. En premier lieu, il est apparu que l'emploi de calorimètres de type c-NC, munis d'une couche de 340 nm de Si(100), présente un défi majeur : un signal endothermique anormal vient fausser la mesure à haute température. Des micro-défauts au sein de la membrane de SiNx créent des courts-circuits entre la bande chauffante de Pt du calorimètre et l'échantillon métallique. Ce phénomène diminue avec l'épaisseur de l'échantillon et n'a pas d'effet en dessous de 400 °C tant que les porteurs de charge intrinsèques au Si ne sont pas activés. Il est possible de corriger la mesure de taux de chaleur en fonction de la température avec une incertitude de 12 °C. En ce qui a trait à la formation des siliciures de Ni à ultra-haut taux de chauffage, l'étude montre que la séquence de phase est modifiée. Les phases riches en m étal, Ni2Si et théta, ne sont pas détectées sur Si(100) et la cinétique de formation favorise une amorphisation en phase solide en début de réaction. Les enthalpies de formation pour les couches de Ni inférieures à 10 nm sont globalement plus élevées que dans le cas volumique, jusqu' à 66 %. De plus, les mesures calorimétriques montrent clairement un signal endothermique à haute température, témoignant de la compétition que se livrent la réaction de phase et l'agglomération de la couche. Pour les échantillons recuits a 3 K/s sur Si(100), une épaisseur critique telle que décrite par Zhang et Luo, et proche de 4 nm de Ni, est supposée. Un modèle est proposé, basé sur la difficulté de diffusion des composants entre des grains de plus en plus petits, afin d'expliquer la stabilité accrue des couches de plus en plus fines. Cette stabilité est également observée par nanocalorimétrie à travers le signal endothermique. Ce dernier se décale vers les hautes températures quand l'épaisseur du film diminue. En outre, une 2e épaisseur critique, d'environ 1 nm de Ni, est remarquée. En dessous, une seule phase semble se former au-dessus de 400 °C, supposément du NiSi2.

Size effects on self-assembly and melting of silver-alkanethiolate on inert surfaces

Self-assembled materials produced in the reaction between alkanethiol and Ag are characterized and compared. It is revealed that the size of the Ag substrate has a significant role in the self-assembly process and determines the reaction products. Alkanethiol adsorbs on the surface of Ag continuous planar thin films and only forms self-assembled monolayers (SAMs), while the reaction between alkanethiol and Ag clusters on inert surfaces is more aggressive and generates a significantly larger amount of alkanethiolate. Two dissimilar products are yielded depending on the size of the clusters. Small Ag clusters are more likely to be converted into multilayer silver-alkanethiolate (AgSR, R = CnH2n+1) crystals, while larger Ag clusters form monolayer-protected clusters (MPCs). The AgSR crystals are initially small and can ripen into large lamellae during thermal annealing. The crystals have facets and flat terraces with extended area, and have a strong preferred orientation in parallel with the substrate surface. The MPCs move laterally upon annealing and reorganize into a single-layer network with their separation distance approximately equal to the length of an extended alkyl chain. AgSR lamellar crystals grown on inert surfaces provide an excellent platform to study the melting characteristics of crystalline lamellae of polymeric materials with the thickness in the nanometer scale. This system is also unique in that each crystal has integer number of layers – magic-number size (thickness). The size of the crystals is controlled by adjusting the amount of Ag and the annealing temperature. X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscopy (AFM) are combined to accurately determine the size (number of layers) of the lamellar crystals. The melting characteristics are measured with nanocalorimetry and show discrete melting transitions which are attributed to the magic-number sizes of the lamellar crystals. The discrete melting temperatures are intrinsic properties of the crystals with particular sizes. Smaller lamellar crystals with less number of layers melt at lower temperatures. The melting point depression is inversely proportional to the total thickness of the lamellae – the product of the number of layers and the layer thickness.