Des chercheurs du C2N et de l’Université Nationale de Singapour ont développé une méthode originale permettant de contrôler la structure cristalline de nanofils semi-conducteurs au moyen d’un champ électrique, ouvrant ainsi la voie à la fabrication à la demande de boîtes quantiques de phase cristalline.
Contrôler différentes phases cristallines au sein d'un nanofil constitue à la fois un défi et une opportunité. Alors qu’un mélange de phases involontaire peut dégrader les performances des dispositifs, la maîtrise intentionnelle de ces phases permet, au contraire, de créer de nouvelles structures quantiques, les boîtes quantiques de phase cristalline (CPQDs en anglais).
Dans une étude publiée dans ACS Nano, l’équipe montre que l’application d’un champ électrique durant la croissance vapeur-liquide-solide de nanofils de GaAs permet de réaliser une transition précise entre deux structures cristallines —zinc blende (ZB) et wurtzite (WZ). Ce changement est contrôlé à la monocouche près, ce qui autorise la fabrication de CPQDs avec une précision sans précédent.
Cette avancée repose sur le développement de micro-substrats chauffants en silicium et leur mise en œuvre dans le microscope électronique en transmission in situ NanoMAX. La croissance des nanofils par dépôt chimique en phase vapeur a pu y être observée en temps réel. L'application d'un champ électrique induit une transition instantanée entre les phases zinc blende et wurtzite, d'où des interfaces abruptes à l'échelle atomique. Ces observations expérimentales sont étayées par des simulations numériques, qui révèlent comment le champ électrique modifie la géométrie de la goutte catalytique résidant au sommet du nanofil, et dicte ainsi la phase cristalline qui se forme.
Ces résultats constituent une percée majeure vers la fabrication contrôlée de CPQDs et ouvrent de nouvelles perspectives pour les sources quantiques de lumière et plus généralement pour les technologies quantiques à l’échelle nanométrique.
Références
Electric-field-assisted phase switching for crystal phase quantum dot fabrication in GaAs nanowires.
Qiang Yu,1 Khakimjon Saidov,2 Ivan Erofeev,2 Khalil Hassebi,1 Chen Wei,1 Charles Renard,1 Laetitia Vincent,1 Frank Glas,1 Utkur Mirsaidov,2* Federico Panciera1*
ACS Nano, DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c15434
Affiliations
1 Université Paris-Saclay, CNRS, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, 91120, Palaiseau, France
2 Centre for BioImaging Sciences, Department of Biological Sciences and Physics, National University of Singapore, Singapore 117557
Contact : Federico PANCIERA
Mots-clés : nanofils semi-conducteurs, MET in situ, croissance cristalline, polytypisme, champ électrique, boîtes quantiques à phase cristalline
Figure 1 : Changements de phase cristalline induite par un champ électrique. (à gauche) Vue schématique du dispositif expérimental montrant que l’application d’un champ électrique durant la croissance provoque un changement de phase cristalline dans les nanofils de GaAs. Le champ électrique déforme dynamiquement la goutte catalytique et amène son angle de contact au-delà d’un seuil critique, ce qui déclenche des transitions zinc blende (ZB)–wurtzite (WZ) contrôlées au niveau de la monocouche. (à droite) Exemple de boîtes quantiques de phase cristalline fabriquées par cette méthode. Barre d'échelle : 5 nm.
