Les images en champ sombre annulaire à grand angle (HAADF) acquises dans un microscope électronique à transmission (STEM) contiennent une foule d'informations sur la structure et la composition chimique des cristaux de semi-conducteurs et ce avec une résolution qui atteint l’atome. Jusqu'à présent, exploiter ces informations nécessitait des simulations numériques complexes, dont le temps de calcul devient rapidement rédhibitoire. Une équipe du C2N a récemment proposé une approche expérimentale, qui permet d’extraire ces mêmes informations plus rapidement et pour des champs de vision plus larges. Cette nouvelle méthode l’imagerie HAADF-STEM et la spectroscopie à rayons X (EDX).
La méthode repose sur le principe suivant : en HAAD-STEM, les images sont formées à partir des électrons diffusés aux grands angles par diffusion Rutherford, de telle sorte que la composition chimique du cristal observé au microscope se trouve encodée dans le contraste de l'image acquise. Le décodage de ces informations nécessite un moyen de calibrer le contraste HAADF-STEM de manière externe. Jusqu'à récemment, une telle quantification à l'échelle atomique n'était possible qu'en comparant l'image expérimentale à des images issues de simulations atomiques. De telles simulations sont complexes et peuvent rapidement devenir rédhibitoires lorsqu'elles sont appliquées à des images ayant un grand champ de vision.
Les chercheurs K. Pantzas et G. Patriarche ont récemment développé un algorithme qui s'appuie sur la spectroscopie de rayons X (EDX) comme substitut aux simulations. Cet algorithme permet à l'utilisateur de calculer directement des cartographies de composition précises au pourcent atomique et à résolution atomique des alliages de semi-conducteurs. Outre les cartographies de composition, l'algorithme permet également de calculer des cartographies des champs de champs de déformation à partir de la même image HAADF-STEM, et donne ainsi à l'utilisateur une image complète de la structure des cristaux semi-conducteurs au niveau de la colonne atomique unique.
L'équipe du C2N a utilisé cet algorithme pour étudier l'interface entre InGaN et GaN, les matériaux au cœur des diodes électroluminescentes blanches. L'équipe a montré, pour la première fois, que la transition entre les deux matériaux ne se produit pas de manière continue, mais s’effectue par incréments discrets de composition. Au-delà de ce résultat, la capacité de mesurer la contrainte et la composition ouvre de nouvelles possibilités pour l’étude des alliages quaternaires arbitraires et des interfaces de semi-conducteurs, comme celles des super-réseaux InAlGaAs, un système d'une importance cruciale pour le développement de dispositifs à cascade quantique.
Reference
K. Pantzas and G. Patriarche, Ultramicroscopy, 220; 113152 (Jan 2021)
https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2020.113152
Contact : Konstantinos Pantzas, CNRS Researcher, Département Matériaux
Affiliation
- Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS / Université Paris-Saclay)
Figure
(top) atomically resolved HAADF-STEM image (a) showing three InGaN wells in GaN barriers and (b) the corresponding mapping of the indium composition.
(bottom) Histogram of the indium compositions in the mapping and atomically resolved mappings of each of the distinct frequencies appearing in the histogram, revealing that the transition between GaN barriers and InGaN wells occurs through a succession of monolayers with distinct compositions.
