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UE PHYSIQUE DES SURFACES ET CROISSANCE CRISTALLINE

Responsable : P. Müller, Professeur Université Paul Cézanne 

Images STM et clichés de diffraction LEED correspondants de diverses surfaces vicinales de Silicium (Leroy, Ranguis, Müller, CRMCN Marseille)

Image obtenue par LODREM de la surface de Si(001). Deux types de terrasses sont observés (blanche et noire) correspondant aux deux reconstructions 2x1 et 1x2 séparées par des marches de hauteur monoatomique alternativement lisses et rugueuses (Ranguelov, Métois, Müller, CRMCN Marseille)

Présentation de l’enseignement :

Le développement de la science des matériaux et plus particulièrement de la physique de l’état condensé a conduit les physiciens et chimistes à comprendre que les propriétés d’un matériau dépendaient étroitement de sa structure (défauts compris). Le nombre d’atomes situés à la surface d’un matériau étant faible par rapport au nombre d’atomes de volume on pourrait penser que les effets de la surface sur les propriétés d’un matériau sont généralement négligeables. Ce n’est pas le cas pour au moins trois raisons : (i) la surface d’un matériau est le lieu d’échange entre le matériau considéré et son environnement (on ne peut donc pas la négliger !) (ii) du fait de la rupture de symétrie de translation due à la présence d’une surface, la structure atomique ou électronique de surface doit différer de celle du volume sous-jacent. Les propriétés de surface n’ont donc aucune raison d’être a priori identiques à celles du volume sous-jacent ! (iii) la course vers la réalisation de structures ou composants de taille nanométrique confère aux propriétés de surface une importance grandissante  ( pour un matériau de 1 cm³  le rapport nombre d’atomes de surface/nombre d’atomes de volume est environ 10^-8, pour une structure constituée de 10³ atomes, il devient de l’ordre de 1/2 ! )

L’histoire de la physique des surfaces peut être caricaturée en 6 grandes périodes  liées à des avancées  conceptuelles et/ou technologiques  majeures : (i) la réalisation de l’importance des surfaces, (ii) le développement de la thermodynamique des surfaces (iii) la compréhension des mécanismes de croissance cristalline, (iv) l’invention des techniques d’ultra vide, (v) le développement des sondes de surface et de l’utilisation du rayonnement synchrotron, (vi) le développement de la microscopie STM.  Autant de révolutions conceptuelles et/ou technologiques permettant aujourd’hui considérer la physique des surfaces comme une branche incontournable de la physique des matériaux condensés.

Objectifs :

La physique des surfaces est une science à la fois ancienne et récente. Ancienne parce que les premiers concepts datent du début du XX° siècle, récente parce que l’étude approfondie et systématique des surfaces n’a démarré qu’à partir des années 1960 pour finalement connaître un essor extrêmement important aujourd’hui avec le développement des nanosciences.  Le but de cet enseignement est d’offrir une large vision de la physique des surfaces solides, depuis la description des concepts thermodynamiques de base, jusqu’à la surface considérée comme lieu d’échange entre un cristal et son environnement (adsorption, croissance…) sans négliger l’étude des propriétés (structurales, électroniques, chimiques…) de surface.

Programme :

I/ Le concept de surface (5h)

I.1/ Description thermodynamique (Classification des surfaces : F, S K,  Energie de surface des faces F,S et K, Contraintes de surface, Rigidité de surface, Instabilités de facettage, Instabilités Azaro-Tiller-Grienfeld…)
I.2/ Description structurale  ( marches, terrasses, crans, groupes ponctuels et groupes d’espace de surface, Reconstructions, Relaxations, formation de domaines de surface.. )
I.3/ Evolution thermique d’une surface ((Transition rugueuse d’une face F ou S, fusion de surface, fusion partielle de surface)

II/ Introduction aux propriétés de surface (7h)

II.1/ Propriétés électroniques de surface :            
A / Densité électronique prés d’une surface et travail de sortie (Modèle du Jellium, Approche de Lang et Kohn)           
B/ Etats électroniques de surface (Tamm, Shokley)           
C/ Comparaison des propriétés électroniques de surface des métaux de transition, des semiconducteurs, des oxydes (méthodes de calcul, courbure de bande…)           
D/ Magnétisme de surface

II.2/ Propriétés chimiques de surface  :           
A/ Chimie de surface  (ségrégation, états de surface induits…)           
B/ Mécanismes d’adsorption/désorption (physisorption, chimisorption, coefficients de collage, d’accommodation, ………, cinétiques d’adsorption et de désorption, isothermes d’adsorption/désorption, potentiel de mouillage)

III/ Introduction aux mécanismes de croissance : (8h)

III.1/ Mécanismes de croissance sur une surface            
A/ Lois idéales de croissance (notion de sursaturation dans le cas de la croissance vapeur, croissance en solution,  croissance en bain fondu..)           
B/ Croissance limitée par la diffusion ( cas des faces S, modèle BCF classique …)            
C/Croissance limitée par la nucléation (nucléation 2D, croissance d’une face F parfaite…)            
D/Croissance d’une face F réelle : (effet des dislocations émergentes, spirales de croissance….)

III.2/Le cas particulier de l’épitaxie            
A/Le concept d’épitaxie (lois de Royer, relations d’épitaxie, effets élastiques…)           
B/ Approche énergétique des modes de croissance ( Description des modes de croissance Volmer-Weber, Frank van der Merwe, Stranski Krastanov , critère de Bauer, théorème de Wulff-Kaishew, transition Stranski-Krastanov , Transition 2D/3D cinétique, effets élastiques)
C/ Croissance de films minces : (approximation des films minces en élasticité , modèle de Fank van der Merwe, modèle de Matthews

II.3/ Description des méthodes de croissance  ( Verneuil, Czochralski, Bridgman, MBE, CVD, MOCVD……. faites sous forme de séminaires ou travail bibliographique)

IV/ Instabilités : (6h)

IV.1/  Croissance dendritique et champ de phase            
A/ Introduction au champ de phase           
B/ Instabilité de Mullins Sekerka (théorie linéaire, analyse de stabilité linéaire, au delà de l’approximation linéaire…)                      
C/ Croissance dendritique

IV.2/ Ecoulement de marches et instabilités de croissance            
A/ Théorie BCF en présence de Barrière de Schwoebel et/ou d’électromigration, Instabilités de mise en paquet de marches (théorie linéaire, analyse de stabilité linéaire, au delà de l’approximation linéaire…)           
B/ Instabilités de méandrage (théorie linéaire, analyse de stabilité linéaire, au delà de l’approximation linéaire…)           

Projets tutorés ou bibliographiques ou de séminaires: (liste non exhaustive)

• Simulation numérique de croissance
• Simulation d’instabilités
• Méthodes de croissance
• Techniques d’analyse

Nombre d’heures : 26

Ouvrages de référence :

1.    S. Andrieu, P. Müller, Les surfaces solides : concepts et méthodes, EDP Sciences, Savoirs actuels, CNRS Editions 2005

2.    J. Villain, A. Pimpinelli,  Physique  de la croissance cristalline, Aléas, Saclay Eyrolles 1995

3.    Y. Saïto, Statistical physics of crystal growth, Ad World Scientific, Singapore, 1996

4.    M.C. Desjonquères, D. Spanjaard, Concepts in surface physics, Springer 1996