Projet ANR-13-BS04-0004 – LOTUS : Dynamique de la ligne triple Solide-Solide-Vide
Programme : Blanc - SIMI 4 - Physique des milieux condensés et dilués (Blanc SIMI 4)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Olivier PIERRE-LOUIS (Insitut Lumière Matière)
Partenaires : Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille; Institut Lumière Matière; Laboratoire d'Électronique et de Technologie de l'Information
Montant : 524500.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : Dynamique du mouillage en phase solide : rôle de la ligne tripleDynamique de mouillage-démouillage en phase solide, et plus particulièrement dynamique de la ligne triple. Ces phénomènes sont contrôlés par la diffusion de surface et n'apparaissent qu'à l'échelle nano. Nous étudions les mécanismes physiques non-linéaires et hors-équilibre mis en jeu. Ils sont aussi importants pour les applications, par exemple la stabilité des films minces en micro-électronique.
Comprendre et contrôler la dynamique de la ligne tripleLa description de la ligne triple est l'une des questions fondamentales du mouillage statique et dynamique. Elle a fait l'objet d'une littérature abodante pour le cas des liquides. Cependant, bien que les films solides soient les composants élementaire de nombreux dispositifs nanométriques, une description de la ligne triple lors du mouillage en phase solide  en est encore à ses balbutiements, particulièrement dans les conditions hors équilibre. Dans le cadre de ce projet, nous proposons de développer la compréhension de la statique et de la dynamique de la ligne triple solid-solide-vide (ou solide-solide-gaz). Nous aborderons des questions plus spécifiques telles que : (i) Comment les conditions hors équilibre affectent-elles la condition de Young hors équilibre ; (ii) Quelle est l'influence de la réactivité de la ligne triple ; (iii) Quel est le rôle de lhétérogénéité du substrat.Au niveau expérimental, nous combinerons des études  LEEM/PEEM et STM/AFM pour suivre in situ plusieurs phénomènes (formation de trous, mouvement d'îlots, démouillage solide, étalement d'îlots...) connectés au comportement de la ligne triple. Des calculs et/ou simulations numériques seront développées en interaction forte avec les epxériences en utilisant des modèles à différentes échelles(molecular dynamics, Kinetic Monte carlo, continuum models).Finalement, nous utiliserons ces résultats pour proposer de nouvelles stratégies pour contrôler la morphologie et la stabilité de nanostructures.
Études expérimentales multi-méthodes couplées à une modélisation multi-échelleAu niveau de la modélisation, nous proposons une approche combinant des descriptions à différentes échelles : modèles continus, modèles de marche atomiques,  et simulations atomistiques (MD et KMC). Nous avons des collaborations internations fortes sur les méthodes Monte Carlo Cinétique (réactivité : Y. Saito, Japon, élasticité : P. Smereka, USA). Nous développons localement les autres approches (dynamique moléculaire et modèles continus).Au niveau expérimental, les mesures par LEEM montre simultanément la microsctructure de la ligne triple et le comportement des marches atomiques dans son voisinage à l'échelle nanométrique. Le LEEM permet donc de charactériser les processus physiques à différentes échelles. Nous combinerons cette étude avec d'autres outils de visualisation (AFM/STM).
Résumé de la soumission : La description de la ligne triple est l'un des problèmes fondamentaux de la dynamique et de la statique du mouillage. Elle a fait l'objet de nombreuses études dans le cas des liquides. Cependant, malgré que le fait que les films solides soient les composants élémentaires de nombreux procédés technologiques, la ligne triple des solides reste mal comprise, particulièrement dans les situations hors équilibre. Dans le cadre de ce projet ANR, nous projetons de développer une compréhension plus précise de la statique et la dynamique des lignes triples solide-solide-vide (ou solide-solide-vapeur), et de discuter quelques questions plus spécifiques: comment les conditions hors d'équilibre (croissance, ou démouillage) modifient-elles la condition d'Young d'équilibre à la ligne triple? Quelle est l'influence des réactions chimiques sur la ligne triple? Quel est le role des hétérogénéités de surface (topographiques et chimiques) sur le comportement de la ligne triple?Le programme de ce projet se décompose en 3 étapes, chacune de ces étapes donnant lieu à une collaboration étroite entre modélisation et expériences. Tout d'abord, nous projetons de déterminer la condition hors-équilibre qui régit la dynamique de la ligne triple au niveau macroscopique continu. Pour ce faire, nous proposons une approche « multi-échelle » dans laquelle mous modéliserons la ligne triple aux différentes échelles (atomistiques, marches atomiques, continu), et nous observerons la ligne triple aux différentes échelles (LEEM, AFM,STM, TEM). Dans une deuxième étape, nous nous intéresserons à la dynamique de la ligne triple en présence de réaction chimique, et nous étudierons particulièrement le cas de Si/SiO2 (ilots réactifs), et SiO2/Si (désoxydation). Finalement, nous étudierons les moyens de controler le mouillage-démouillage par l'anisotropie, et par l'accrochage de la ligne triple sur un substrat hétérogène. Finalement, nous espérons utiliser nos résultas pour proposer de nouvelles stratégies pour contrôler la morphologie et la stabilité des nanostructures.
Résultats : Nous avons avancé de façon significative sur la compréhension de plusieurs aspects du comportement de mouillage des nanoparticules solides. Ceci se traduit par deux publications marquantes: La première sur les effets des contraintes élastiques (mono-partenaire dans Phys Rev Lett) sur la stabilité des nanoparticules sur des substrats nanopatternés. La deuxième  (multi-partenaire dans Phys Rev B) sur l comportement es îlots de Si/SiO2 à haute température, qui forment des nanopores en régissant avec le substrat.
De plus, nous avons obtenu des résultats sur le rôle de l'anisotropie sur le démouillage par une étude comparative entre Si/SiO2 et Ge/SiO2 (Phys Rev B 2013). Nous avons aussi montré qu'il est possible d'inhiber le démouillage grâce à un dépôt d'Oxygène (Appl. Phys. Lett. 2014).
Perspectives : Les perspectives de se projet s'ouvrent essentiellement dans deux directions :
1)	Une compréhension fondamentale du comportement hors équilibre de la ligne triple. Ceci inclus d'abord des lois phénoménologiques qui généralisent la loi d'Young. De plus, nous espérons obtenir les lois qui régissent le comportement de la ligne triple en présence de réactivité ou de contraintes élastiques.
2)	De nouvelles méthodes pour controler le mouvement de la ligne triple, notamment pendant le démouillage des films solides ultra-minces. Ici, les effets clés sont l'anisotropie cristalline, ou l'accrochage de la ligne triple par des défauts ou des patterns.
Publications et brevets : 8 articles dans des revues internationales à comité de lecture (dont une dans Phys Rev Lett).
1.	 F. Leroy, F. Cheynis, T. Passanante, P. Müller  Phys. Rev. B 88 (2013) 035306
2.	F. Cheynis, F. Leroy, P. Müller, Comptes rendus de Physique 14 (2013) 578
3.	S. Curiotto, F. Leroy, F. Cheynis, P. Müller,  Applied Physics letters 104 (2014) 061603
4.	F. Cheynis, F. Leroy, et al  Review of Scientific Instruments 85 (2014) 043705
5.	S. Curiotto, F. Leroy, F. Cheynis, P.Müller  Surface Science 632 (2015) 1
6.	J. Fuhr, P. Müller  Beilstein Journal of nanotechnology 6 (2015) 321
7.	Anna Chame and Olivier Pierre-Louis,  Phys. Rev. B 90, 195408 (2014) 
8.	M. Ignacio, Y. Saito, P. Smereka, and O. Pierre-Louis,   Phys. Rev. Lett. 112, 146102 (2014)
9 communications orales (dont 4 invités) dans des conférences internationales.