La croissance vapeur-solide-liquide d'un nanofil semi-conducteur se fait par la nucléation et l'extension séquentielles de monocouches biatomiques (ML) à l'interface entre la tige du nanofil et une nano-gouttelette apicale de catalyseur liquide. Le contrôle de la longueur d'une section de nanofil à 1 ML près est crucial pour les hétérostructures axiales quantiques, qu'elles soient basées sur l'alternance de différents matériaux ou de différentes structures cristallines d'un même matériau. Cependant, le caractère aléatoire intrinsèque du processus de nucléation induit des fluctuations du taux de croissance qui rendent ce contrôle très délicat. En principe, on peut utiliser un instrument in situ qui, en combinant la croissance et la microscopie électronique à transmission, fournit un retour d'information instantané permettant d'ajuster les flux de vapeur. Néanmoins, trouver des conditions de croissance qui minimisent intrinsèquement les fluctuations de longueur ouvrirait la voie à l'adaptation de telles structures à l'aveugle dans un dispositif de croissance standard dépourvu de contrôle en temps réel.
En combinant des expériences in situ sur la plateforme NanoMAX et la modélisation de la croissance, les chercheurs du C2N ont progressé de manière significative dans cette direction. Lors de la croissance de nanofils de matériaux III-V, la quantité d'éléments du groupe V dans la nanogouttelette au moment de la nucléation peut être si faible que seule une fraction de ML peut se former de manière quasi-instantanée. La propagation de la ML est alimentée par l'apport régulier de vapeur à un rythme plus lent. Après l'achèvement du ML, un temps d'attente aléatoire s'écoule avant la nucléation suivante (figure de gauche). À une température de croissance relativement basse, la désorption est négligeable ; la quantité de groupe V disponible dans la gouttelette au moment de la nucléation varie alors en fonction du temps d'attente précédent. Par conséquent, un temps d'attente court nécessite un temps de propagation long, et vice versa.
Des simulations de croissance appuyées par des calculs analytiques efficaces montrent que, pour certaines dimensions de nanofils et certaines conditions de croissance, cette complémentarité devrait être quasi-parfaite. Les distributions calculées des temps d'attente, de propagation et de cycle ML ont été comparées aux données précises de NanoMAX. Les expériences fournissent en effet des preuves d'autorégulation, dans la mesure où la distribution des temps de cycle ML est plus étroite que prévu pour des temps d'attente et de propagation non corrélés, même si elle n'est pas aussi étroite que prévu théoriquement (figure de droite). Cela est dû en grande partie à la résolution temporelle limitée de nos expériences. D'autres sources expérimentales et intrinsèques possibles de fluctuations sont actuellement étudiées.
Reference
Statistics of nucleation and growth of single monolayers in nanowires : Towards a deterministic regime
F. Glas, F. Panciera, and J.-C. Harmand
Phys. Status Solidi Rapid Res. Lett. 16, 2100647 (2022)
DOI : https://doi.org/10.1002/pssr.202100647
Affiliations
Centre de Nanosciences et de NanoTechnologies - C2N, CNRS, Université Paris Saclay, 10 Boulevrad Thomas Gobert, 91120 Palaiseau
Figure : A gauche : Variation mesurée de la fraction q de ML cultivés (pour 5 ML successifs), montrant la formation rapide de ML partiels à la nucléation (1), la propagation des ML (2) et le temps d'attente (3). Notez la fluctuation aléatoire du temps d'attente entre les ML. A droite : Histogrammes des temps d'attente w, des temps de propagation p et du temps de cycle des ML tc = w+p, mesurés (barres pleines) et calculés (barres rayées) à basse température de croissance.
Contacts :
Frank Glas
Federico Panciera
