Pour étudier l’influence de la composition sur la morphologie des nanocolonnes, la croissance de films pour différentes concentrations en atomes de soluté (de 2% at. à 12% at. d’atomes B) a été modélisée. La partie précédente a montré que la température de croissance est un paramètre important qui permet de piloter la compétition entre les événements de diffusion et de dépôt. C’est pourquoi deux températures de croissance (400K et 450K) sont considérées pour l’étude de la composition.
Evolution morphologique des nanocolonnes
Les nanostructures obtenues par simulation pour différentes concentrations de soluté et pour deux températures de croissance (400K et 450K) sont présentées sur la figure 4.12. A faible concentration de soluté (2% at. de B), quelle que soit la température de croissance, les nanocolonnes sont fragmentées sur l’épaisseur du film. Lorsque la concentration augmente, la longueur des nanocolonnes augmente jusqu’à ce que leur hauteur atteigne l’épaisseur du film.
A haute température de croissance (T = 450K), l’augmentation de la concentration en soluté mène à une nanostructure où les nanocolonnes sont complètement droites suivant l’axe de croissance et sont parfaitement distinctes les unes des autres. En revanche, à basse température de croissance (T = 400K), la plupart des nanocolonnes sont interrompues et courbées quelle que soit la concentration en atomes B. Des morphologies similaires, dépendant de la concentration en soluté, ont été observées par microscopie électronique en transmission [Devillers 2007 - Wang 2010].
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Figure 4.12 : Vues planes des nanostructures simulées pour différentes concentrations de soluté et pour des températures de croissance de 400K et 450K (les atomes B sont représentés en point bleu).
Evolution du diamètre des nanocolonnes
Le diamètre moyen des nanocolonnes obtenues pour différentes concentrations en atomes B à 400K et 450K est présenté sur la figure 4.13, et est comparé aux données expérimentales obtenues par microscopie électronique à transmission [Devillers 2008]. Le diamètre moyen des nanocolonnes augmente quasiment linéairement avec la concentration en soluté, excepté lorsque la concentration est inférieure à 5% at. en atomes B à la plus basse température étudié (T = 400K). Ces évolutions du diamètre obtenues par simulation se superposent parfaitement aux données expérimentales à haute et basse température de croissance (symbole ouverts sur la figure 4.13). Néanmoins, l’augmentation du diamètre des nanocolonnes est plus importante pour des températures de croissance plus élevées.
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Figure 4.13 : Evolution du diamètre moyen des nanocolonnes (exprimé en fonction du paramètre de maille a0) en fonction de la concentration en atomes B pour des températures de croissance de 400K (symbole carré bleu) et 450K (symbole rond rouge) obtenue par simulation Monte Carlo et par microscopie électronique [Devillers 2008] (symboles ouverts).
La distribution des diamètres est présentée sur la figure 4.14 en fonction de la concentration en atomes B pour deux températures. La distribution en taille des nanocolonnes semble plus étroite à basse température qu’à haute température de croissance. L’augmentation de la concentration en atomes B entraine simultanément une augmentation du diamètre et une dispersion en taille. Cette augmentation est plus importante pour de hautes températures de croissance (T = 450K). Cette fois encore, l’évolution de la distribution en taille des nanocolonnes est en bon accord avec les résultats expérimentaux [Devillers 2008] (partie III.4 du chapitre1).
L’augmentation du diamètre s’explique thermodynamiquement par l’augmentation de la force motrice avec la concentration d’atomes de soluté pour une température donnée. L’influence de la concentration en B est plus importante à haute température à cause de la plus grande diffusivité des atomes.
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Figure 4.14 : Distribution du diamètre des nanocolonnes pour différentes concentrations en soluté pour des températures de croissance de 400K et 450K.
Evolution de la densité surfacique de nanocolonnes
La figure 4.15 présente l’évolution de la densité de nanocolonnes en fonction de la concentration en atomes B obtenue pour des températures de croissance de 400 K et 450 K. Il est important de noter que les données obtenues en simulation reproduisent celles mesurées par MET obtenues à haute et basse température de croissance (symboles ouverts sur la figure 4.15) [Devillers 2008]. Deux comportements distincts sont observés selon la température de croissance, à la fois pour les résultats simulés et pour les résultats expérimentaux.
A haute température de croissance (T = 450K), les simulations mettent en évidence que la densité de nanocolonnes reste constante avec la composition en atomes B. Expérimentalement, la densité de nanocolonnes reste du même ordre de grandeur avec la composition en Mn, même si une légère diminution peut être observée. Il est important de souligner la difficulté à mesurer la densité pour de très faibles concentrations en B en raison des difficultés de comptabilisation des nanocolonnes possédant de très faibles dimensions (aussi bien latérale que longitudinale). Cela peut en partie expliquer la différence entre les résultats simulés et expérimentaux, notamment à de très faibles concentrations en atomes B.
A basse température de croissance (T = 400K), à la fois dans les simulations et dans les expériences, la densité de nanocolonnes augmente brutalement jusqu’à 5% at. de soluté puis atteint un plateau où la densité reste constante lorsque la concentration est supérieure à
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5% at. de soluté. Ce changement de comportement avec la concentration de soluté à déjà été observé expérimentalement et a été attribué à un changement dans l’incorporation des atomes de solutés [Devillers 2007], bien que reste aujourd’hui encore une question ouverte. Pour mieux comprendre la présence de ce plateau dans ces conditions de concentration et de température, nous avons focalisé notre étude de simulation sur les premiers stades de croissance d’un film binaire.
Figure 4.15 : Evolution de la densité surfacique de nanocolonnes (exprimée en fonction du paramètre de maille a0) en fonction concentration en atomes B pour des températures de croissance de 400K (symbole carré bleu) et 450K (symbole rond rouge), obtenue par simulation Monte Carlo et par microscopie électronique [Devillers 2008] (symboles ouverts).