Etude de la croissance des nanofils de Si

4.2.1. Conditions de synthèse

Le département Micro-électronique et Micro-capteurs de l’IETR maîtrise déjà depuis plusieurs années la synthèse des nanofils de Si. Sur un substrat de Si monocristallin, une couche de SiO2 d’épaisseur 500 nm a été déposée par APCVD. Ensuite une couche continue d’or d’épaisseur 2 nm a été déposée par évaporation thermique. L’échantillon est ensuite transféré dans le réacteur LPCVD pour la croissance des nanofils. L’étape de démouillage de la couche d’or s’opère lors de la montée en température du réacteur pendant 30 min précédant la croissance. La croissance des nanofils de Si à partir d’une solution colloïdale d’or sera présentée en annexe C.

Le tableau ci-après (tableau 4.1) résume les conditions de synthèse que nous avons utilisées :

Epaisseur de la couche d’or (nm) Température de croissance (°C) Pression de dépôt (Pa) Flux SiH₄ (sccm) Temps de croissance (h) 2 450 40 50 2

Tableau 4. 1 : Conditions de synthèse des nanofils de Si 4.2.2. Caractérisation morphologique par MEB

La morphologie des nanofils de Si ainsi que leur diamètre et leur longueur sont estimés à partir des images obtenues par MEB au centre de Microscopie Electronique à Balayage et Microanalyse (CMEBA) de l’Université de Rennes 1.

Figure 4. 2: images MEB de nanofils de Si obtenus par le mécanisme VLS ; (a) observation sur la tranche à 90 ° et (b) observation d’un nanofil unique de Si

La figure 4.2 montre des images MEB pour les nanofils de Si que nous avons synthétisés. Avec ces conditions de synthèse, nous obtenons un tapis de nanofils cylindriques orientés dans toutes les directions. Le diamètre de ces nanofils varie entre une dizaine jusqu’à une centaine de nanomètres. La figure 4.2 – a montre que la longueur des nanofils n’est pas homogène. L’épaisseur moyenne du tapis des nanofils est de l’ordre de 20 µm. La figure 4.2 – b montre une image MEB d’un nanofil de Si unique. Cette image montre clairement la forme cylindrique des nanofils « décorés » avec la pointe d’or cylindrique à l’extrémité du nanofil. Le diamètre de ce nanofil est de 120 nm.

4.2.3. Caractérisation chimique par nano-SIMS

La spectrométrie de masse à ions secondaires à haute résolution ou nano-SIMS (nano

élémentaire et isotopique, très sensible et à haute résolution latérale (50 nm). Elle est basée sur la détection des ions secondaires produits sous l’effet de bombardement d’ions primaires incidents (Césium ou Oxygène) dans une atmosphère ultravide (P = 10^-10 mbar). Cet appareil est aussi équipé avec un spectromètre de masse à cinq collecteurs qui permet de séparer et analyser les ions secondaires en fonction du rapport masse/charge.

Nous disposons d’un équipement nano-SIMS 50 de la société CAMECA à l’Université de Rennes 1, un appareil de recherche novateur en imagerie chimique et isotopique. Cet appareil nous permet de cartographier avec une grande résolution spatiale les éléments chimiques d’un échantillon. L’imagerie chimique de nanofils de Si par le nano-SIMS est la première qui a été obtenue à l’Université de Rennes1.

La figure 4.3 montre le résultat d’imagerie chimique des éléments dans notre échantillon: l’oxygène (¹⁶O), le silicium (²⁸Si) et l’or (¹⁹⁷Au) dans la même zone d’observation (les images sont obtenues avec une taille de scan de 40 µm x 40 µm). La figure 4.3 – a représente une distribution homogène de l’oxygène le long du nanofil. Les nanofils de Si ayant tendance à s’oxyder naturellement à l’air libre, la distribution de l’oxygène homogène le long du nanofil est donc cohérente. De la même manière, la figure 4.3 – b montre la distribution de Si. Cette image nous confirme l’aspect morphologique attendu des nanofils de Si. Enfin, les images MEB montrent que les nanofils de Si sont cylindriques et décorés sur leurs pointes par des nanoparticules d’or, ce qui est confirmé aussi avec l’image Nano-SIMS de l’or (figure 4.3 – c).

Figure 4. 3: Imagerie chimique de nanofils de Si obtenue par nano-SIMS avec une taille de scan 40 µm x 40 µm; (a) pour l’oxygène ¹⁶O, (b) pour le silicium ²⁸Si et (c) pour l’or ¹⁹⁷Au.

Cette première approche nous permet de dire que le nano-SIMS nous permet de

(a) (b) (c)

4.2.4. Caractérisation structurale par MET

La caractérisation structurale des nanofils de Si a été effectuée en utilisant une observation MET à haute résolution – type : JEOL 2100 LaB₆ (80 – 200 KV) équipé d’un module à balayage (MEBT). Les mesures ont été effectuées par Valérie Demange, chargée de recherche à l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes à l’Université de Rennes1.

Cette caractérisation nécessite la dispersion des nanofils sur des grilles de carbone. La méthode utilisée ici consiste à gratter l’échantillon avec les nanofils à répartir directement sur les grilles de carbone. Les mesures faîtes sur plusieurs nanofils de Si montrent que ces derniers possèdent une structure monocristalline avec des plans atomiques parallèles et équidistants (cœur des nanofils) entourés avec une couche amorphe d’oxyde d’épaisseur moyenne de 2.5 nm (figure 4.4 – a et b)

En utilisant les transformées de Fourier des micrographies MET à haute résolution et les diagrammes de diffractions des électrons, nous avons déterminé que la direction de croissance des nanofils mesurés est <111>.

Figure 4. 4 : (a) et (b) Images HRTEM sur un nanofil de Si

Nous avons présenté les résultats expérimentaux de la croissance de nanofils de Si, à partir d’une couche continue d’or démouillée. Les nanofils ont été caractérisés morphologiquement par MEB, chimiquement par le nano-SIMS et structuralement par MET. Le nano-SIMS a montré une carte des éléments chimiques constituant les nanofils de Si (Si, Au) et aussi l’oxygène (O) présent sur la paroi des nanofils oxydés. Le MET a montré la structure monocristalline des nanofils avec une direction de croissance <111> entourés par une couche