Description

Sous forme de couches ultrafines, les matériaux peuvent présenter des propriétés intéressantes qui diffèrent de celles des matériaux massifs. Au-delà des applications potentielles rendues possibles par ces propriétés, décrire et comprendre les mécanismes de formation de ces couches ultrafines et leur impact sur les propriétés (structurelles, électroniques, optiques, etc.) représente un défi fondamental. Pour atteindre cet objectif, il est essentiel de pouvoir surveiller le processus de croissance en temps réel et de décrire ses paramètres clés (vitesse et mode de croissance, morphologie et structure cristalline, niveau de contrainte) avec une grande sensibilité. Pour le dépôt sous vide, la diffraction des électrons à haute énergie à incidence rasante (RHEED) répond assez bien à cette condition ; la RHEED est largement utilisée pour surveiller l'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) et son utilisation a été étendue au dépôt par laser pulsé (PLD). Néanmoins, en raison des champs électromagnétiques présents dans la zone de dépôt, la RHEED est incompatible avec le dépôt par pulvérisation plasma magnétron. Cependant, ce mode de dépôt est devenu une technologie mondiale pour produire une grande variété de nanostructures en couches minces, des métaux aux oxydes et aux matériaux 2D.
Nous avons développé une nouvelle technique d'analyse de surface exploitant la diffusion quantique d'atomes d'hélium avec une énergie d'environ keV. Appelée GIFAD (Grazing Incidence Fast Atom Diffraction), cette technique est une alternative/un complément avantageux à la RHEED, car elle offre une bien meilleure sensibilité de surface et fournit des informations plus riches sur la structure cristallographique et la dynamique de croissance. Dans une nouvelle configuration, la technique GIFAD peut désormais fonctionner à des pressions allant jusqu'à 10^-2 mbar, ce qui permet de l'utiliser pour les modes de dépôt fonctionnant à « haute pression » (PLD réactive, CVD, pulvérisation magnétron). Les résultats préliminaires obtenus dans une chambre de dépôt HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering, une variante de la pulvérisation magnétron plasma) sont encourageants. L'objectif du stage est de progresser dans les mesures en temps réel appliquées à la croissance de couches minces d'oxydes (TiO2, VO2) par dépôt réactif (en présence d'oxygène), mais aussi de matériaux 2D (dichalcogénures de métaux de transition). Nous nous concentrerons en particulier sur la résolution de la dynamique de croissance à un stade précoce à l'interface et sur l'influence des paramètres de dépôt (puissance et durée des impulsions, pression d'oxygène, tension d'accélération des ions pulvérisés, etc. ). Le HiPIMS étant particulièrement favorable à la croissance épitaxiale, la caractérisation en temps réel rendue possible par le GIFAD devrait faciliter l'optimisation des paramètres de dépôt et permettre d'obtenir des couches minces présentant des propriétés structurelles optimales.
Ce projet s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre l'ISMO et le LPGP (Laboratoire de physique des gaz et des plasmas, Université Paris-Saclay) et bénéficie du soutien du CNRS à travers le programme Prématuration.

Compétences requises

Solide formation en physique ou chimie-physique, avec de bonnes bases en physique du solide et/ou couches minces. Esprit curieux et rigoureux, avec une forte propension pour le travail expérimental. Esprit d'équipe essentiel.

Bibliographie

- Epitaxial growth of Cu(001) thin films onto Si(001) using a single-step HiPIMS process”; https://
doi.org/10.1038/s41598-017-01755-8
- https://www.cnrs.fr/cnrsinnovation-lalettre/actus.php?numero=220
- “Dynamic grazing incidence fast atom diffraction during molecular beam epitaxial growth of GaAs”;
https://doi.org/10.1063/1.4890121
- 'Grazing incidence fast atom diffraction in high-pressure conditions'; https://doi.org/10.1016/
j.surfin.2023.102754
- Patent “Dispositif d'analyse de surface par diffraction d'atomes rapides dans un environnement haute
pression”, EP4099005A1, 2022

Mots clés

Croisance de couches minces, Diffraction d'atomes rapides, Analyse temps-réel, pulverisation magnétron, surfaces et interfaces, Ultravide