Un contrôle in-situ des caractéristiques structurales ou chimiques de la surface des couches est assuré respectivement par RHEED, ou spectroscopie XPS et Auger [84].
4.2.1 Réseau cristallin de surface par RHEED
La technique de diffraction électronique par réflexion est sensible aux tout derniers plans atomiques et permet ainsi de caractériser le réseau cristallin à la surface de la couche à des échelles latérales nanomètriques (longueur de cohérence des électrons de 10 nm).
Suivant la structure en surface de la couche, différents types de clichés caractéristiques schématisés en Figure 4.2 peuvent être obtenus. Dans la pratique, pour nos couches de Cr qui ne constituent pas des cristaux parfaits, lorsque la surface est bien plane, le cliché de diffraction
Figure 4.2 – Schéma des clichés RHEED obtenus selon la qualité de la surface cristalline.
comporte des tiges de diffraction caractéristiques du réseau de surface (2D). Lorsque les couches sont rugueuses, la surface diffractante possède une certaine épaisseur, et le réseau réciproque est composé de tiges plus larges, devenant des taches de diffraction lorsque le réseau de surface est tridimensionnel (surface très rugueuse).
La présence de contaminants arrangés de manière périodique sur la surface de la couche modifie le réseau de diffraction de surface et crée des tiges de sur-structures situées entre les tiges de diffraction du réseau de la couche, et caractéristiques de l’arrangement des impuretés en surface.
Dans nos travaux sur l’état de contrainte des couches de Cr, le suivi par RHEED du recuit des couches de Cr donne une indication de l’amélioration structurale des couches suivant la température de recuit adoptée (chapitre 11). Il permet également de s’assurer de la pureté de la surface de Cr(001) avant étude par photoémission de ses propriétés électroniques, ou avant dépôt d’une couche de MgO dans une hétérostructure.
Dans le cas d’une croissance couche-par-couche (comme c’est le cas pour le MgO sur Cr), le dépôt de chaque monocouche atomique peut être suivi grâce à l’évolution de l’intensité RHEED (Figure 4.3). L’intensité de la tige de diffraction 00 qui correspond au faisceau di- rectement réfléchi sur la surface présente en effet des oscillations dont la période est égale au temps de dépôt d’une monocouche atomique entière. Les conditions de diffraction sont choisies de sorte que les interférences entre faisceaux réfléchis d’une couche atomique et de la couche inférieure soient destructives, si bien que l’intensité détectée est minimale lorsqu’une demi- couche atomique est déposée. Au contraire, l’intensité est maximale (interférences construc- tives) lorsqu’une couche entière est achevée.
Figure 4.3 – Schéma du mécanisme d’interférence sur la surface à l’origine des oscillations d’intensité RHEED.
Grâce à cette calibration précise de l’épaisseur des couches (épaisseur précise à ±0.1MC près), nous avons pu étudier des systèmes où l’épaisseur de la barrière de MgO était de quelques plans ou fractions de plans atomiques et constater des différences importantes avec
celle-ci (voir chapitres 15 et partie V).
4.2.2 Propriétés chimiques de la surface par spectroscopie
Les spectroscopies XPS et Auger sont des techniques de surface (leur sensibilité est de quelques monocouches atomiques) utilisées pour caractériser in-situ l’état de la surface de la couche déposée. Ces mesures permettent d’identifier les transitions électroniques caractéris- tiques des éléments présents en surface. La spectroscopie Auger est ainsi une sonde de surface adaptée à la détection de contaminants : elle fournit une information sur la nature chimique des éléments présents, de manière complémentaire au RHEED qui identifie un possible arran- gement structural de ces impuretés en surface. Grâce à sa très grande sensibilité, nous avons pu détecter un taux de dopage de quelques pourcents de Fe dans la matrice de Cr (déduit de la proportion d’éléments en surface) dans notre étude au chapitre 12.
Par ailleurs, la spectroscopie par rayons X permet de mesurer les seuils des niveaux élec- troniques de cœur des éléments présents et ainsi de détecter une modification des pics corres- pondants provoquée par exemple par un changement du degré d’oxydation de l’élément. Ce type d’information sera très utile pour la caractérisation de l’interface Cr/MgO (au chapitre 14).
Néanmoins, ces différentes techniques ne sont sensibles qu’à la surface des couches et non à leurs propriétés en volume. La structure volumique de l’empilement peut être caractérisée jusqu’à l’échelle atomique par microscopie électronique en transmission (TEM), et à plus grande échelle (longueur de cohérence limitée par la qualité cristalline, s’approchant de la centaine de nm) par diffraction et réflectivité de rayons X.
Chapitre 5
Caractérisation structurale des
couches en volume
Diffraction de rayons X et microscopie électronique sont des techniques qui permettent toutes deux de contrôler la bonne épitaxie et cristallinité de chaque couche de nos empilements, ainsi que d’évaluer les contraintes internes. Elles le font toutefois à des échelles différentes et sont donc complémentaires, la microscopie haute résolution pouvant par exemple expliquer l’origine des contraintes internes mesurées par diffraction de rayons X (comme c’est le cas pour l’étude effectuée dans le chapitre 10).
5.1
Caractérisation locale par microscopie électronique en trans-
mission
Certains échantillons emblématiques (superréseaux, hétérostructures Cr/MgO/Cr) ont été examinés grâce à un microscope haute résolution FEI Tecnaï, par C. Gatel au CEMES à Tou- louse (dans le cadre du réseau METSA). Ce microscope fonctionne à une énergie d’électrons incidents de 200 keV et en mode haute résolution, des distances de 1.2 Å peuvent être résolues grâce à l’utilisation de lentilles de correction d’aberration sphérique.
La faible pénétration des électrons dans la matière impose en configuration de microscopie par transmission de très faibles épaisseurs d’échantillon. Les échantillons sont donc désépaissis par polissage mécanique et ionique dans le but d’obtenir une très fine coupe transverse de l’empilement.
5.1.1 Mode basse résolution
En mode basse résolution, selon la focalisation des lentilles de projection (en aval de l’échantillon), le système d’imagerie (composé des lentilles de projection et du diaphragme) permet d’obtenir soit une image directe, soit un cliché de diffraction de l’échantillon (et donc des différentes couches). Un diaphragme supplémentaire dans le plan image de la lentille d’ob- jectif permet de sélectionner la zone examinée de l’échantillon et un autre diaphragme dans le plan focal de la lentille objectif de sélectionner une zone du réseau réciproque. Lorsqu’on centre ce diaphragme sur une tache de diffraction d’une couche, les couches correspondantes apparaissent en clair sur l’image formée, les autres couches et les parties transparentes aux radiations en foncé (image en champ sombre). A l’inverse, lorsqu’on centre le diaphragme sur
le faisceau direct, l’échantillon apparaît en sombre et les zones transparentes aux électrons en clair (image en champ clair).
Figure 5.1 – Cliché de diffraction du superréseau [Cr/MgO]5 montrant les taches de diffrac-
tion associées à chaque couche. Micrographies haute résolution en champ sombre associées aux pics de Bragg du Cr et du MgO.
Il est possible par cette technique d’identifier les différentes couches d’un empilement et leur réseau cristallin respectif, comme en atteste la Figure 5.1, sur l’exemple du superréseau [Cr/MgO]5. Même en basse résolution, la qualité cristalline des couches à grande échelle et la
continuité des couches fines (barrières de MgO) peuvent ainsi être contrôlées. 5.1.2 Mode haute résolution
En mode haute résolution, c’est l’image des colonnes atomiques projetées selon l’axe de zone d’observation qui est obtenue sur l’écran de visualisation. Lorsqu’elle passe au travers de l’échantillon, l’onde plane électronique incidente accumule un facteur de phase, maximal au niveau des colonnes atomiques. Le contraste atomique de l’image est produit par les interfé- rences entre les ondes diffractées à la sortie de l’échantillon. Une résolution spatiale de l’ordre de l’angström est atteinte dans cette configuration, les principaux facteurs limitatifs étant les imperfections des lentilles et les aberrations optiques bien plus que l’énergie des électrons incidents.
La microscopie haute résolution, bien que sensible uniquement au potentiel projeté des colonnes atomiques examinées, apporte une caractérisation fine de la structure cristalline locale des couches et en particulier des interfaces. On peut ainsi vérifier l’absence de phase parasite à l’interface entre deux matériaux (le Cr et le MgO dans nos études), mais surtout évaluer avec précision l’épaisseur et la rugosité locale de nos fines barrières de MgO.
Sur les images des empilements Cr/MgO, une méthode de traitement d’image (méthode de phase géométrique [88]) a été appliquée, afin d’établir une cartographie des déformations locales, et de la phase entre plans réticulaires. Grâce à ces images de phase, la présence d’un réseau de dislocations à l’interface Cr/MgO est clairement identifiée par des sauts de phase périodiques, correspondant au décalage d’une distance inter-réticulaire (étude menée
au chapitre 8). En outre, les cartographies de déformation locale permettent de mettre en évidence un état de déformation très différent des barrières de MgO selon leur épaisseur (étude menée au chapitre 14).