De nos jours, la physique des surfaces connait un essor spectaculaire en relation avec les applications innombrables et variées en microélectronique et en métallurgie. Les industries se livrent la compétition pour miniaturiser leur produit sans pour autant réduire leur rendement de fonctionnement. Les structures des films sont très importantes dans les technologies industrielles et ces dernières années, les couches minces ont occupé dans le monde entier un domaine majeur de recherche.

Ainsi beaucoup d’études portent sur l’élaboration des couches minces ou des films minces de ces matériaux, car ils présentent souvent des propriétés structurales et physiques remarquables. Il s’avère essentiel de pouvoir disposer des méthodes d’analyses et de contrôle de ces composés. [1]

L’étude expérimentale concerne la fabrication et la caractérisation des couches minces en vue de connaitre leurs caractéristiques et leurs propriétés; tandis que l’étude théorique est basée sur la physique du solide et la cristallographie : elle a pour rôle de modéliser le système (film) et d’interpréter les résultats expérimentaux. L’apparition et le développement d’ordinateurs de plus en plus puissant a permis l’utilisation d’une autre approche pour étudier ces couches minces : la simulation numérique.

NOTION SUR LA CRISTALLOGRAPHIE

La cristallographie a pris son essor à partir du développement de la méthode d’analyse par diffraction des rayon X, méthode imaginée par Max Von Law (prix Nobel de physique 1914) et développée par William et Laurence Bragg (prix Nobel de Physique 1915).A la suite des travaux de Von Law et de Bragg, l’état cristallin est défini par un arrangement ordonné et périodique à l’échelle atomique.[3]

A basse température, toute forme de matière se condense en état solide (exemple pour l’eau à 0°C).L’étude des propriétés physiques de la matière dans cet état constitue l’objet de la physique de l’état solide (physique du solide) ou physique de la matière condensée.

La matière solide est composée d’atomes, que l’on peut voir comme des boules élémentaires qui s’assemblent.
● Si les boules s’assemblent pour former une molécule, on a des gaz, des liquides, des solides moléculaires, des polymères (caoutchoucs, plastiques, papiers, protéines…).
● Si les boules s’entassent de manière irrégulière, on a alors de la matière dite «amorphe » (ou « vitreuse »), comme le verre.
● Si elles s’entassent de manière ordonnée, c’est alors un cristal.

Terminologies et définitions 

La cristallographie 

La cristallographie est la science qui étudie la structure des cristaux, c’est à dire l’organisation des atomes de ces cristaux. C’est donc une étude scientifique des cristaux et des lois qui président à leur formation. Autrement dit, la cristallographie est la science qui se consacre à l’étude des substances cristallines à l’échelle atomique. Un cristal est la combinaison d’un motif et d’un réseau.

Réseau cristallin 

Un réseau cristallin est l’ensemble des points appelés nœuds en trois dimensions qui présente la propriété suivante : lorsque l’on se translate dans l‘espace selon certains vecteurs, on retrouve exactement le même environnement que celui à l’origine. Il y a donc une périodicité spatiale.

En trois dimensions, le réseau est caractérisé par trois vecteurs a,b,c qui permettent de générer l’ensemble de nœuds par des translations élémentaires à partir d’un nœud origine. Ces vecteurs sont définis par leurs longueurs a, b, c et les angles α, β, γ qu’ils font entre eux.

Généralités sur la mode de croissance cristalline

Terminologies et généralités

Une monocouche, MC, est définie par la densité d’atomes nécessaires à la constitution d’un plan atomique complet d’un monocristal massif. Cette unité dépend donc du type de matériau et de l’orientation du plan à constituer. L’intérêt de cette unité est qu’elle indique la quantité de matière indépendamment de la dimension de la surface à constituer.

Le taux de couverture, θ, exprime la quantité de matière déposée par unité de surface de l’échantillon.

L’épitaxie, du grec épi, « sur », et taxis, « arrangement » est le processus de formation d’une couche cristalline sur un substrat monocristallin avec identité et prolongement des deux réseaux cristallins. Ce qui signifie que lorsqu’on fait croître une couche de matériau sur un substrat, la structure de la couche est orientée par le substrat.

Modes de croissance cristalline 

Le processus de cristallisation, c’est-à-dire le processus de création d’un cristal, comporte deux étapes. La première est la germination, terme désignant l’apparition d’une phase cristalline solide, le germe, à partir d’une phase liquide ou gazeuse. La seconde étape est la phase de croissance cristalline, processus par lequel les cristaux vont croître après germination. Cette croissance peut être naturelle ou artificielle. Il existe essentiellement trois modes de croissance cristalline :

❖ Mode de croissance 2D ou Frank-van der Merwe

Dans ce mode de croissance, les adatomes vont s’étaler de façon à recouvrir l’intégralité du substrat ou de la couche monoatomique précédente. Ce qui signifie que l’adsorbat mouille le substrat. Le remplissage d’une deuxième ne commence que lorsque la couche juste en dessous de celle-ci soit entièrement complétée. Ce mode de croissance se fait couche par couche. La croissance est donc bidimensionnelle d’où le suffixe 2D.

Il se rencontre généralement dans le cas où l’adsorbat et le substrat sont de même nature chimique: homoépitaxie.

❖ Mode de croissance 3D ou Volmer-Weber

Pour ce cas, les adatomes vont se regrouper et former des agrégats ou îlots. Donc les cristaux isolés nucléés (adatomes) s’empiètent et fusionnent sur le substrat pour former un film continu. Ainsi, l’adsorbat ne mouille pas le substrat et les atomes se développent directement sur la surface et croissent pour former des îlots 3D. Ce mode de croissance peut être exploité pour réaliser des nanostructures. En effet, presque tous les matériaux poly cristallins et les films épitaxiaux subissent ce processus de croissance. Ce mode de croissance nous ramène à une structure tridimensionnelle d’où le suffixe 3D.

❖ Mode de croissance 2D/3D ou Stranski-Krastanov

Ce mode de croissance est le cas intermédiaire entre le mode 2D et le mode 3D. La croissance commence couche par couche et le matériau mouille le substrat. Mais à partir d’une certaine épaisseur, la croissance devient du type Volmer-Weber et ainsi des îlots se forment. On passe donc d’une mode de croissance bidimensionnelle à une mode de croissance tridimensionnelle d’où la notation 2D/3D. L’épaisseur critique à laquelle se produit le basculement d’un type de croissance à un autre dépend des propriétés physico-chimiques du film et du substrat.

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