Thèse soutenue le 06 mai 2009 pour obtenir le grade de docteur de l'Université Joseph Fourier de Grenoble - Spécialité : Nanophysique

Résumé :
Le but de cette thèse a été à la fois de mieux comprendre les mécanismes de croissance de nanofils de silicium fait par le procédé Vapeur Liquide Solide, et aussi de contrôler la structure cristalline, la composition chimique et les propriétés électroniques grâce à la microscopie électronique en transmission (MET). Un premier sujet de recherche a été le comportement du catalyseur d'or pendant la croissance. Nous avons démontré que pendant la croissance, l'or peut diffuser sur les flancs des nanofils. Ensuite nous avons trouvé les paramètres de croissance pour contrôler cette diffusion : la pression partielle du silane et la température. Selon les paramètres de croissance les propriétés des flancs des nanofils sont modifiées lorsque le silane est absorbé sur les flancs, ce qui empêche ensuite l'or de diffuser. Il y a également un effet de taille sur le phénomène de diffusion. Dans un deuxième temps, une étude des propriétés cristallographiques des nanofils a été menée. Nous avons étudié la direction de croissance et l'apparition de facettes sur les flancs. En général, peu de défauts sont présents dans les fils catalysés par or avec le silane comme précurseur. Lorsque d'autres métaux catalyseurs ou gaz précurseurs sont introduits, la densité des défauts, surtout celle des macles verticales, peut augmenter considérablement. Pour cette raison des grains différents présents dans le cristal peuvent se superposer dans l'image MET ou cliché de diffraction, ce qui est interprété dans la littérature comme étant une phase hexagonale. Grâce à une tranche de fil préparée par FIB nous démontrons clairement qu'il n'y a pas de phase hexagonale. Néanmoins une haute densité de macles peut immiter une phase hexagonale sur quelques plans atomiques. Enfin, une étude des dopants actifs par holographie électronique a été réalisée. Nous montrons pour la première fois un contraste de dopants dans les nanofils fins avec une modulation du dopage axial. Le but de ces mesures est de déterminer la concentration en dopants. La mesure des dopants d'une concentration de 10¹⁸ at. cm^-3 par rapport au silicium intrinsèque est possible dans des fils de 60 nm de diamètre. La comparaison entre expériences et simulations du potentiel montre que l'état de surface, et plus précisément la quantité de charge sur ou proche de la surface, sont extrêmement importants pour la distribution du potentiel dans une telle structure. La quantité de charge sur l'interface fils-oxyde est de l'ordre de -1x10¹² e.c. (charge électronique) cm^-2, ce qui s'accorde parfaitement avec la quantité de charge trouvée par mesures du transport.

Jury :
Président : Professeur Daniel Le-Si-Dang
Rapporteur : Docteur Frank Glas
Rapporteur : Docteur Johan Verbeeck
Examinateur : Docteur Heike Riel
Examinateur :  Pascal Gentile
Directeur de thèse : Docteur Jean-Luc Rouvière

Mots clés :
nanofils, silicium, TEM, holographie, défaut, dopage, phosphine, diffusion d'or, démouillage

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