Fabrication et caractérisation de nanocristaux de silicium encapsulés dans des matrices siliciées amorphes

Fabrication et caractérisation de nanocristaux de
silicium encapsulés dans des matrices siliciées amorphes

La spectroscopie d’absorption infrarouge ;FTIR) 

La spectroscopie d’absorption infrarouge ;FTIR pour Fourier Transformed Infrared Spectroscopy) est une technique non destquctive qui permet de déterminer la nature des liaisons présentes au sein d’un matériau et de les quantifier. Cette technique est basée sur l’interaction entre la lumiğre infrarouge et les états ǀibrationnels de la matiğre. Lorsque des atomes se lient pour former une molécule, plusieurs modes de vibration deviennent alors possibles. La fréquence de vibration de ces modes a tendance à apparaître dans le domaine infrarouge. Ainsi, chaque bande d’absorption du spectre infrarouge correspond à une ǀibration ou à une rotation caractéristique d’un dipôle, ce qui rend la FTIR très sensible à la composition chimique des matériaux analysés. La fréquence à laquelle apparaît une bande d’absorption caractéristique de la ǀibration d’un dipôle est fonction de la masse des atomes en jeu, mais aussi de la nature de la vibration. Ainsi, pour un même groupement chimique, les modes de vibration apparaîtront dans des domaines de longueur d’onde différents. Parmi les modes fréquemment rencontrés, on peut citer les modes d’élongation, de torsion et de balancement représentés sur la Figure 2.8. Techniques expérimentales  Figure 2.8 : principaux modes de ǀibration d’un dipôle ;de tLJpe “iO2). L’acquisition des spectres infrarouges présentés dans cette thğse a été effectuée sur un spectromğtre Bqucker VertexϳϬ d’une résolution de Ϭ.ϰ cm-1. Un détecteur DTGS permet une mesure sur une gamme spectrale allant de 400 cm-1 à 4000 cm-1. Les mesures sont réalisées en mode absorption et les spectres présentés sont définis par :         échantillon référence I A log I (2.17) où Iéchantillon et Iréférence sont les intensités transmises à traǀers l’échantillon et à traǀers la référence. La référence est un substrat de silicium intrinsèque afin de minimiser l’absorption due aux dopants, et tous les échantillons ont été réalisés sur des substrats intrinsèques du même lot. Le silicium étant essentiellement transparent aux moyens infrarouges, il est en effet bien adapté aux mesures de transmission infrarouge. Dans notre cas, la spectroscopie d’absorption infrarouge disponible au LAPLACE s’est aǀérée efficace pour observer la variation de la composition des couches a-SiNx, ainsi que les changements induits par les traitements thermiques réalisés sur les couches a-SiNx et a-SiCx.

La spectroscopie Raman 

La spectroscopie Raman est une technique analLJtique basée sur l’étude de la diffusion inélastique de la lumiğre en interaction aǀec un matériau. L’effet Raman résulte de transitions ǀibrationnelles dues à l’interaction entre des photons proǀenant d’une source de lumiğre monochromatique et les molécules ;ou les atomes pour un solideͿ de l’échantillon étudié. Parmi ces photons, une faible quantité (1 sur 104 ) sera diffusée de façon élastique, c’est-à-dire sans perte d’énergie : c’est la diffusion RaLJleigh. Une quantité encore plus faible (1 sur 108 ) sera diffusée de façon inélastique avec une légère perte ou un léger gain en énergie, qu’on appelle respectiǀement diffusion Raman “tokes et anti-Stokes. Ces processus sont schématisés sur la Figure 2.9. Le spectre Raman représente l’intensité de la lumiğre diffusée en fonction du décalage en énergie par rapport à la longueur d’onde de la lumiğre incidente. Le spectre visualisé sera celui de la diffusion Raman Stokes qui est toujours plus intense que le spectre de la diffusion Raman anti-Stokes. Cette méthode peut être appliquée à une large gamme de matériaux, des gaz aux matériaux solides en passant par les liquides. Elle est de plus particulièrement sensible aux liaisons homopolaires Si-Si et permet de discriminer efficacement le silicium cristallin du silicium amorphe. En revanche, elle ne permet pas de détecter les liaisons hydrogénées, ce qui en fait une technique complémentaire de la spectroscopie d’absorption infrarouge. La spectroscopie Raman étant une technique rapide et non-destquctive, elle est fréquemment utilisée pour caractériser les nc-Si. Figure 2.9 : représentations des transitions énergétiques liées à la diffusion Rayleigh et aux diffusions Raman Stokes et anti-Stokes. Nos spectres de diffusion Raman ont été réalisés au service commun de spectroscopie infrarouge et Raman du laboratoire de chimie de coordination (LCC) de Toulouse par Corinne Routaboul. L’appareil utilisé est un Labram HR ϴϬϬ Horiba-Jobin et Yvon. La source d’excitation est un laser HeNe fonctionnant à ϲϯϮ,ϴ nm. Aprğs focalisation au traǀers d’un objectif de microscope conventionnel, la taille du spot sur l’échantillon est de ϱ µm2 . La collection de la lumière diffusée se fait par rétrodiffusion au travers du même objectif et atteint un détecteur dont la résolution spectrale est de 1 cm-1. Les processus de diffusion étant naturellement trğs faibles, il est nécessaire d’utiliser un laser de puissance éleǀée. L’utilisation d’un laser puissant peut toutefois aǀoir pour effet non désirable le chauffage de la surface de l’échantillon et un décalage du spectre Raman. Il faut donc trouver un compromis en terme de puissance du faisceau incident, ce qui peut être réalisé au moyen de filtres de différentes forces. 

La diffraction des rayons X en incidence rasante (GI-XRD)

 La diffraction des rayons X est une technique non-destquctive pour la caractérisation stqucturale des matériaux cristallins. Traditionnellement, cette technique est employée pour l’étude de poudres composées de cristaux orientés de façon aléatoire. Un faisceau de raLJons X proǀenant d’une source Kα du cuiǀre d’une longueur d’onde de 0,15418 nm est dirigé sur l’échantillon aǀec un angle θ et diffracté par les plans atomiques de la stqucture cristalline. Les conditions qui mènent à des interférences constquctives sont données par la loi de Bragg . Techniques expérimentales 50 où dhkl est la distance interplanaire, ʄ la longueur d’onde des raLJons X, et θhkl l’angle entre les plans atomiques et le faisceau incident. Dans notre cas, cette technique permet de mettre en évidence la présence de silicium nanocristallin et donnent des informations sur l’orientation des cristaux ou le paramğtre de maille. La position et l’intensité relatiǀe des principaux pics de diffraction liés au silicium cristallin sont listés dans le Tableau 2.4.