Étude de la surface du substrat de MgO (100)

Les substrats de MgO (100) utilisés au cours de cette étude de surface et durant la croissance des couches minces de SrTiO3 sont des monocristaux de taille (10 ×10 × 5 mm3) fournis

par Crystec GmbH. Les substrats sont caractérisés par un angle de désorientation α tel que 0°< α < 0,5°. On assume que pour cette gamme d’angles, les substrats doivent présenter des surfaces d’escaliers avec des terrasses séparées par des marches de hauteur 0,21 nm ce qui correspond à la demi-périodicité du cristal. Ces marches, selon les spécifications du fournisseur, devraient être séparées d’une distance minimale de 24 nm pour un angle de désorientation de 0,5°. Nous sommes conscients de l’importance de l’angle de désorientation sur l’évolution des marches, et une variation de cette valeur d’un échantillon à l’autre complique l’analyse approfondie, mais pour des angles de désorientation relativement faibles comme dans notre cas, nous pouvons au moins assumer que les marches sont suffisamment espacées pour ne pas interagir directement et intervenir dans la réorganisation des atomes à la surface. Pour réussir à améliorer la surface de MgO (100) et faire apparaître des marches atomiques uniformes et stables, nous avons opté pour un processus de reconstruction de la surface qui consiste à faire un prétraitement chimique suivi d’un recuit thermique à haute température des substrats du MgO préalablement au dépôt pour pouvoir étudier leur morphologie et contrôler l’évolution de leurs marches atomiques.

3.2.1 Prétraitement chimique

Nous avons initialement opté pour un prétraitement par voie chimique qui consiste à un nettoyage ultrasonique de la surface de MgO en utilisant trois solutions différentes. La première solution est l’acétone, la deuxième est l’isopropanol et la troisième est l’éthanol. Ces solutions sont principalement utilisées pour décomposer les composés hydroxylés et les groupements carbonates. Le nettoyeur ultrason est utilisé pour le nettoyage des résidus de polissage industriel et pour la dissolution des composés hydroxyles et des groupements carbonatés par un effet purement mécanique.[122] Une fois tous les substrats traités dans le bain d’ultrasons, ils sont rincés dans l’eau désionisée pendant 5 minutes et séchés à l’azote.

Le traitement chimique est pourtant limité concernant la désorption de H2O et de CO2

comme le montre la figure 25, seulement quelques structures amorphes avec une taille latérale autour de 50 nm ont diminué. L’analyse AFM des morphologies du substrat avant et après le

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prétraitement chimique est présentée dans la figure 25. L’image AFM de la figure 25 (a) montre la surface typique de MgO avant le prétraitement. La morphologie ne présente aucune marche atomique visible. Par contre, il est possible d’observer des impuretés de taille importante sur la surface. La rugosité moyenne (rms) calculée est de l’ordre de 0,35 nm. En observant la figure 25 (b), nous pouvons constater qu’à la suite du prétraitement chimique, la qualité morphologique de la surface s’est légèrement améliorée et la rugosité a légèrement diminué pour devenir 0,32 nm. L’image AFM de la figure (b) montre que la surface est beaucoup plus homogène par rapport à la surface (a), ce qui indique la dissolution de certains contaminants au cours du prétraitement chimique. Cependant, il n’y a pas d’effet visible sur l’évolution de la morphologie de surface de MgO, ce qui indique que la surface est toujours recouverte par une couche amorphe. Figure 25 : Images AFM de topographie (1 × 1 µm2_{) de la surface de MgO (100).}

(a) Avant le prétraitement chimique, (b) après le prétraitement chimique.

3.2.2 Prétraitement thermique

Un prétraitement thermique permet d’abord de désorber la plupart d’adsorbants et, par la suite, de modifier la surface par le réarrangement des atomes jusqu’à atteindre une structure d’équilibre. Le recuit des substrats comprend 3 étapes : (1) le chauffage à une température désirée (2) le maintien de cette température et finalement (3) le refroidissement à température ambiante. Différentes études ont été effectuées pour déterminer la meilleure façon d’obtenir des substrats

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avec des surfaces à marches. La plupart d’entre elles ont démontré que le seul prétraitement efficace pour avoir des surfaces vicinales à marches est le recuit thermique.[113] L’effet de recuit est unique pour chaque matériau et type de surface, donc le contrôle des conditions de recuit et surtout des paramètres comme la température, l’atmosphère, la durée de maintien et le refroidissement est crucial pour optimiser le protocole et réussir à avoir un prétraitement thermique reproductible et efficace pour chaque type de substrat.

Dans notre étude, l’objectif principal du recuit thermique est de réussir à obtenir une surface vicinale modèle de MgO (100), c’est-à-dire une surface où les terrasses sont d’une bonne uniformité, présentant la même largeur et est régulièrement agencé. En effet, le recuit thermique à de nombreux effets sur la surface, il peut induire différents processus dynamiques tels que la diffusion, l’évaporation d’atomes, la reconstruction et le changement de la morphologie de surface. L’un des facteurs les plus importants dans le processus de recuit est de refroidir rapidement l’échantillon pour figer la nouvelle structure.

Une fois nettoyés chimiquement, les substrats de MgO sont directement déposés dans un tube de quartz lui-même introduit dans un four tubulaire présenté dans la figure 26 (a). Celui-ci est capable de faire des recuits jusqu’à une température de 1100 °C.

Figure 26 : Système et procédure de recuit thermique.

(a) Image du four de recuit utilisé dans cette étude, (b) Schéma descriptif du profile thermique de recuit et les différentes étapes nécessaires pour obtenir une surface recuite.

Les substrats de MgO sont ensuite préchauffés à la température souhaitée dans une atmosphère oxygénée (voir la figure 26 (b)). Comme le recuit se fait dans un tube de quartz, il n’est pas

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possible de travailler autrement que sous pression ambiante, mais la reproductibilité est assurée en contrôlant le débit d’oxygène en sccm. Le recuit ne peut pas être effectué sous air puisque l’exposition de la surface à l’air mène à une déficience en oxygène. Par contre, lors du recuit sous oxygène, la composition reste stœchiométrique.[123] Nous allons étudier l’effet de deux paramètres de recuit principaux :

(1) la variation de la durée de maintien de la température de recuit. (2) la variation de la température de recuit.

Bien conscients que la température est l’élément déclencheur pour la diffusion de surface selon la loi d’Arrhenius, nous avons d’abord établi une durée de recuit qui permet de comparer les effets observés à des températures différentes.