Hétérostructures allotropiques de semiconducteurs IV dans des nanofils : nouvelles opportunités more-than-Moore

Nous avons decouvert une methode originale pour produire une transformation de phase dans les nanofils de Ge et Si(de structure cubique diamant 3C). Sous l’action d’une contrainte externe a chaud, des nanodomaines de structure hexagonale diamant 2H se forment de maniere quasi-periodique le long du fil ce qui resulte en un reseau 1D d’heterostructures 3C/2H.Dans ce contexte,ce projet de these vise a mettre en lumiere les mecanismes de cette transformation de phase et a caracteriser les proprietes physiques de la phase 2H.Nous avons mis en place des analyses structurales systematiques dans les nanofils de Ge et Si-3C/2H pour mettre en evidence les parametres cles de la transformation de phase.Les nanodomaines 2H sont formes dans des bandes de cisaillement de direction e2-5-5e.Une relation d’orientation a ete mise en evidence:(1-10)3C//(-2110)2H et (110)3C//(0001)2H et les bandes 2H reposent majoritairement sur les plans d’interface (115)3C.Les etudes preliminaires montrent que la contrainte de cisaillement et le budget thermique sont necessaires a la transformation avec une temperature seuil minimale de 350°C et 500°C pour le Ge et le Si respectivement,ces conditions sont caracteristiques d’une transformation martensitique.Les parametres cles identifies : l’orientation cristallographique et le diametre des nanofils.Dans les nanofils de Si, la formation des bandes de cisaillement et donc des domaines 2H est induite par la composante de contrainte de cisaillement dans la direction de glissement du plan interfacial 3C/2H. D’apres ces resultats, la transformation de phase serait compatible avec un mecanisme de relaxation plastique via la formation des bandes de cisaillement (5-5-2)(1-15)3C.Nous avons realise des mesures Raman spatialement resolues sur nanofil unique de Ge- et Si-3C/2H afin de mettre en evidence les modes de phonons optiques. Dans le Ge, nous avons detecte deux pics Raman a 288 cm−1 et 301 cm−1 attribues aux modes E2g et E1g + A1g + F2g. Dans le Si, nous avons observe trois pics Raman a 498, 515 et 520 cm−1 respectivement associes aux modes E2g, A1g et F2g. Ces valeurs coincident avec les calculs reportes.Nous avons egalement mesure les largeurs de bandes interdites dans les nanofils de Ge-3C/2H par spectroscopie infrarouge a transformee de Fourier:nous avons obtenu un gap direct a 0,58 eV attribue a la phase 2H et un gap indirect a 0,72 eV qui proviendrait vraisemblablement de la phase 3C.Ces valeurs constituent les premieres mesures experimentales du gap de la phaseGe-2H et vont dans le sens des calculs theoriques qui predisent un gap etroit et direct. La phase 2H peut egalement etre obtenue dans le massif de Si et Ge apres decompression dans une cellule a enclumes de diamant menant a la phase BC8 qui se convertit a temperature ambiante(dans le Ge) ou a chaud(dans le Si) en phase 2H. Afin de comparer les proprietes du massif, nous avons realise des mesures in-situ par spectroscopie Raman et par diffraction des rayons X dans le massif en etudiant differents chemins de decompression. A temperature ambiante,nous obtenons soit la phase Ge-ST12, soit un melange des phases Ge-ST12 et Ge-BC8 en fonction de la vitesse de decompression.La nucleation de la phase 2H est donc complexe car elle depend fortement du chemin de decompression et des conditions hydrostatiques dans la cellule. Ces etudes revelent de plus un effet de taille. Dans les nanofils de Ge,nous observons apres decompression un retour vers la phase 3C avec une composante amorphe.Les mesures in-situ du gap dans le Ge massif et les nanofils de Ge en fonction de la pression confirment cet effet de taille. Apres decompression dans le Ge massif, nous obtenons un gap direct egal a 0,53 eV et un gap indirect valant 0,73 eV. Ces valeurs sont liees a la structure de bandes de la phase Ge-ST12 et s’accordent avec les recents resultats reportes.La mesure dans les nanofils de Ge presente un comportement d’hysteresis avec le retour vers le gap initial apres decompression.