Absence d’interconnections entre les pores

Nous avons cherch´e `a montrer l’absence ou la pr´esence d’interconnections entre les pores du silicium poreux [13]. L’exp´erience a consist´e `a obstruer une partie des pores d’un ´echantillon de silicium poreux (porosit´e 70 %) par un d´epˆot d’aluminium. Apr`es une oxydation thermique de l’ensemble de l’´echantillon dans une atmosph`ere de l’isotope 18 de l’oxyg`ene, nous avons dos´e l’oxyg`ene 18 dans les pores situ´es sous le d´epˆot et ceux situ´es `a cˆot´e du d´epˆot. L’´eventuelle pr´esence d’interconnections entre les pores devant conduire `a une oxydation des pores obstru´es par le d´epˆot, ce dosage devait permettre de montrer la pr´esence d’interconnections.

1.3.1

Description de l’exp´erience

Le d´epˆot d’aluminium, d’une ´epaisseur estim´ee `a 5000 ˚A, a ´et´e obtenu sous vide par ´evaporation d’un filament d’aluminium. Afin d’augmenter l’adh´erence du d´epˆot sur la surface externe de l’´echantillon poreux, nous avons effectu´e un recuit `a 4500_{C sous at-}

mosph`ere neutre d’argon.

Nous avons v´erifi´e que le d´epˆot d’aluminium ´etait bien localis´e sur la surface externe de la couche poreuse sans p´en´etrer `a l’int´erieur des pores. A l’aide de l’acc´el´erateur d’ions Van de Graff du Groupe de Physique des Solides, nous avons ´etudi´e le profil en profondeur de la concentration d’aluminium par r´etrodiffusion Rutherford (RBS). Cette technique d’analyse [14][15] repose sur l’interaction coulombienne des ions incidents avec les noyaux des atomes de l’´echantillon. La cible (le d´epˆot d’aluminium) est bombard´ee par un faisceau d’ions monocin´etiques et l’on d´etecte les particules r´etrodiffus´ees apr`es avoir subi des chocs ´elastiques avec les noyaux. L’´energie de ces particules apr`es collision est la signature du noyau par lequel elles ont ´et´e r´etrodiffus´ees ainsi que de la profondeur `a laquelle le choc a eu lieu. L’analyse en ´energie des spectres RBS obtenus permet de d´eterminer la composition chimique d’´echantillons, et ce dans les r´egions proches de la surface (quelques µm). Le nombre de particules ´emises, N (∆E) `a une ´energie comprise entre E et E + ∆E, dans une direction θ et un angle solide ∆Ω, est reli´e au nombre de particules incidentes Q et `a la section efficace coulombienne partielle ∂σ(E,θ)_∂Ω par la relation : N (∆E) = Z E E+∆E ρ(z) Q ∂σ(u, θ) ∂Ω ∆Ω du (1.9)

1.3 Absence d’interconnections entre les pores

mais situ´e sur un ´echantillon de silicium non poreux. Les spectres de la r´etrodiffusion

4_He+ _{par chacun des d´epˆots sont montr´es sur la figure 1.20. Aux hautes ´energies corres-}

pondent les particules qui ont ´et´e r´etrodiffus´ees par les atomes d’aluminium alors qu’aux faibles ´energies les particules d´etect´ees ont ´et´e r´etrodiffus´ees par les atomes de silicium. La pr´esence du pic situ´e autour du canal 225 indique l’´energie des particules r´etrodiffus´ees par les noyaux situ´es `a l’interface Al/Si. La superposition des deux spectres obtenus in- dique que le profil en profondeur des esp`eces chimiques sont identiques (aluminium puis silicium) pour le d´epˆot sur silicium compact et pour le d´epˆot sur silicium poreux. Ce r´esultat montre que le d´epˆot d’aluminium n’a pas p´en´etr´e au sein de la couche poreuse mais est rest´e localis´e au dessus de l’ensemble des pores.

100 200 300 400 0 2500 5000 7500 10000

C

o

u

p

s

Canaux

Fig. 1.20 – Spectre de r´etrodiffusion Rutherford 4_He+ _{pour un d´epˆot d’aluminium situ´e}

sur une couche de silicium poreux (ligne grise) et pour un d´epˆot d’aluminium d´epos´e sur un substrat de silicium compact (ligne noire). L’´energie initiale des particules 4_He+ _{est 2}

M eV (3,75 keV /canal).

1.3.2

Dosage de l’oxyg`ene

0

L’oxydation thermique de l’ensemble de l’´echantillon a ´et´e effectu´e pendant une heure `a 3000<sub>C sous une atmosph`ere de 12 mbar d’oxyg`ene O</sub>

2 enrichi en isotope 18O (99 %).

Ce proc´ed´e conduit `a la formation d’une fine couche d’oxyde de silicium d’une ´epaisseur de l’ordre de 1 nm.

L’oxyg`ene a ensuite ´et´e dos´e par microanalyse nucl´eaire `a l’acc´el´erateur Van de Graff du Groupe de Physique des Solides. Dans le cas de cette technique d’analyse [14], on d´etecte les produits des r´eactions nucl´eaires induites par les particules incidentes sur les noyaux cibles. Les modes op´eratoires (g´eom´etrie, d´etection) sont semblables `a ceux de l’analyse de r´etrodiffusion Rutherford. Pour doser l’oxyg`ene 18_{O de la couche poreuse,}

nous avons induit la r´eaction18_{O(p, α)}15_{N par un faisceau de protons. La section efficace}

de cette r´eaction, qui est d´etermin´ee exp´erimentalement [16], pr´esente une r´esonance, d’une largeur Γ = 2 keV , pour des protons d’une ´energie autour de 629 keV (figure 1.21).

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0 20 40 60 80 S ec ti o n e ff ic ac e (m b ar n /s tr ) Energie (MeV)

Fig.1.21 – Section efficace de la r´eaction nucl´eaire18_{O(p, α)}15_{N. Le spectre a ´et´e obtenu `a}

un angle de d´etection de 1500 _{par rapport `a la direction incidente du faisceau de protons.}

D’apr`es [16].

Cette r´esonance permet de doser l’oxyg`ene 18<sub>O `a une profondeur donn´ee. En effet,</sub>

lorsque l’´energie incidente du faisceau correspond `a l’´energie de r´esonance, on ne d´etecte que les particules provenant d’une r´eaction produite en surface. En revanche, lorsqu’on augmente cette ´energie de ∆E, la r´eaction ne se produit que lorsque les ions incidents ont perdu cet exc`es d’´energie en traversant la mati`ere. Le dosage de l’oxyg`ene sous le d´epˆot a donc ´et´e effectu´e en augmentant l’´energie du faisceau de fa¸con `a prendre en compte la perte d’´energie des protons `a travers la couche d’aluminium (∆E ' 40 keV ).

Les spectres de r´eaction nucl´eaire obtenus sous le d´epˆot et `a cˆot´e du d´epˆot sont montr´es sur la figure 1.22. Le pic α obtenu `a dans la r´egion non masqu´ee par le d´epˆot d’aluminium indique la pr´esence d’18_{O provenant de l’oxydation thermique. Etant donn´e}

la pr´esence du d´epˆot, la valeur attendue du pic α provenant de la r´eaction `a la surface des pores masqu´es par celui-ci est `a une ´energie plus basse de 100 keV que dans le cas o`u le faisceau a ´et´e plac´e `a cˆot´e. L’absence de pic, lorsqu’on bombarde l’´echantillon sous le d´epˆot, indique donc qu’il n y a pas eu d’oxydation dans cette r´egion du mat´eriau. Le nombre de coups observ´es dans cette r´egion est inf´erieur d’un ordre de grandeur au

1.3 Absence d’interconnections entre les pores 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 0 100 200 300 400 500 C o u p s Energie (MeV)

Fig.1.22 – Spectres α obtenus `a partir de la r´eaction18_{O(p, α)}15_{N induite par un faisceau}

de protons d’une ´energie Ep = 629 keV . (◦) couche de silicium poreux apr`es une oxydation

thermique dans une atmosph`ere d’18_O

2. (•) Partie de la couche poreuse prot´eg´ee par un

d´epˆot d’aluminium. La fl`eche indique l’´energie `a laquelle est attendu le pic provenant de l’oxydation sous le d´epˆot.

2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 0 10 20 30 40 50 C o u p s Energie (MeV)

Fig.1.23 – Spectres α obtenus `a partir de la r´eaction18_{O(p, α)}15_{N induite par un faisceau}

de protons d’une ´energie Ep = 629 keV . (•) Echantillon oxyd´e thermiquement dans une

atmosph`ere d’18_O

2 et masqu´e par un d´epˆot d’aluminium. (¤) Echantillon t´emoin non

oxyd´e.

En toute rigueur, l’absence d’oxydation dans la r´egion prot´eg´ee par le d´epˆot d’alumi- nium montre donc que le silicium poreux est compos´e de pores non percolants. En effet, cette exp´erience montre qu’il n’est pas possible de trouver un chemin via des connections permettant de relier l’ensemble des pores du syst`eme (auquel cas la r´egion prot´eg´ee par le d´epˆot aurait ´et´e oxyd´ee). Ainsi, si les pores sont connect´es entre eux, il existe au moins

des ensembles de pores non connect´es aux autres. En cons´equence, nous pensons qu’il est raisonnable de d´ecrire le mat´eriau comme une assembl´ee de pores non connect´es, mˆeme si il ne peut ˆetre exclu que certaines parois entre pores soient parfois “accidentellement” perc´ees.