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Résumé
Cet ouvrage s'inscrit dans le but de comprendre les mécanismes liés à la morphogenèse des
nanostructures de silicium hydrogéné dans un réacteur plasma par des techniques de modélisation.
Dans un premier temps les technologies actuelles sont passées en revue afin de repondre aux
attentes actuelles qui leurs sont propres.
Vient ensuite un rappel des possibilités d'étude qui sont utilisables dans ce contexte particulier.
Les différentes techniques qui permettent de simuler les trajectoires des atomes par dynamique
moléculaire sont rappelées. Les méthodes quantiques de calcul de potentiel d'interaction entre
les espèces chimiques sont ensuite développées pour conclure que seules des méthodes quantiques
semi-empiriques sont suffisament rapides pour pouvoir
implémenter un algorithme de dynamique moléculaire quantique sur des échelles de temps raisonnables.
A partir des outils introduits, une réfléxion sur la nature des états moléculaires énergétiquement
métastables est présentée sur un cas théorique de croissance auto-organisée d'une chaîne linéaire d'atomes.
Ce modèle qui consiste à faire croitre une chaîne par l'ajout successif de
l'atome qui augmente le moins l'energie électronique de la chaîne montre que le niveau de
Fermi est un paramètre essentiel à l'auto-organisation de la croissance. Ce modèle montre
aussi que la structure formée n'est pas forcément une structure de minimum global d'énergie.
A partir de tous ces outils numériques, la croissance d'agrégats moléculaire peut être simulée
en utilisant comme paramètres les données issues de calculs de magnéto-hydrodynamique
des conditions reignant au sein des réacteurs plasma ( concentrations des espèces, intervalle de temps entre
les réactions chimiques, énergie d'impact des réactifs ...).
La formation d'agrégats de silicium hydrogèné est ainsi simulée par captures successives de molécules
de silane. Les structures formées en simulation aux températures de fonctionnement des réacteurs
plasma prédisent la formation d'agrégats sphériques constitués d'un coeur de silicium
amorphe recouvert par de l'hydrogène.
Ces structures ne sont donc pas dans un état de minimum d'énergie contrairement à certains résultats expérimentaux.
Ces résultats ont cependant été obtenus sans la prise en compte de la présense d'hydrogène atomique
dans le plasma.
Une étude approfondie de l'effet de l'hydrogène atomique sur les structures métastables produites
en simulation est donc effectuée.
L'étude de l'interaction de l'hydrogène atomique sur la surface de l'agrégat permet de
trouver des proportions de mécanismes ( désorption d'hydrogène de type Eley-Rideal, atome chaud ou
absorption sur la surface de l'agrégat ) en accord avec des experiences de recombinaison sur des
surfaces de silicium. Les interactions de l'hydrogène atomique avec la surface des agrégats
induisent aussi une modification de l'organisation interne des atomes de silicium.
L'organisation des atomes de silicium interne à agrégats en fonction de la taille de l'agrégat (nombre magique)
permet de comprendre pourquoi les observations expérimentales indiquent la présence de structures
cristallines. Enfin cette étude mène à la prédiction d'une structure particulièrement stable
qui pourrait servir de germe de croissance pour les nanofils de silicium.
Abstract
This work pursues the goal of understanding mechanisms related to
the morphogenesis of hydrogenated silicon nanostructures in an plasma reactor through
modeling techniques.
Current technologies are first reviewed with an aim to understand
the purpose behind their development. Then follows a summary of the possible
studies which are useful in this particular context.
The various techniques which make it possible
to simulate the trajectories of atoms by molecular dynamics are discussed.
The quantum methods of calculation of the interaction potential between chemical species
are then developed, reaching the conclusion that only semi-empirical quantum methods are sufficiently fast
to be able to implement an algorithm of quantum molecular dynamics on a reasonable timescale.
From the tools introduced, a reflection on the nature of molecular metastable
energetical states is presented for the theoretical case of the self-organized growth of
a linear chain of atoms.
This model - which consists of propagating the growth of a chain by the successive addition of the atom
which least increases the electronic energy of the chain - shows that the Fermi level is a
parameter essential to self-organization during growth. This model also shows that the
structure formed is not necessarily a total minimum energy structure.
From all these numerical tools, the molecular growth of clusters
can be simulated by using parameters from magnetohydrodynamic calculation results of
plasma reactor modeling (concentrations of the species, interval between chemical
reactions, energy of impact of the reagents...). The formation of silicon-hydrogen
clusters is thus simulated by the successive capture of silane molecules. The structures formed
in simulation at the operating temperatures of the plasma reactor predict the formation
of spherical clusters constituting an amorphous silicon core covered by hydrogen.
These structures are thus not in a state of minimum energy, contrary to certain
experimental results. However, these results were obtained without taking into account the presence
of atomic hydrogen in the plasma.
A thorough study of the effect of atomic hydrogen
on the metastable structures produced in simulation is thus carried out. The study of the
interaction of atomic hydrogen on the surface of the cluster gives the possibility of finding
the proportion of mechanisms (Eley-Rideal hydrogen desorption, hot atom mecanism or
absorption on the surface of the cluster) in agreement with experiments on recombination
on silicon surfaces.
The interaction of atomic hydrogen with the surface of the clusters
also induces a modification of the internal organization of the silicon atoms.
The organization of the internal silicon atoms of the clusters as a function of cluster size
(magic number) makes it possible to understand why the experimental observations
indicate the presence of crystalline structures. Finally this study leads to the
prediction of a particularly stable structure which could be used as precursor for the growth of
silicon nanowires.
quentin
2007-09-05