Mécanismes mis en jeu sur les facettes des NFs

Bien que ce modèle explique bon nombre de résultats expérimentaux concernant la croissance des NF en mode VLS, il est cependant loin d’être complet. En effet, il considère que la goutte est alimentée essentiellement à partir de la diffusion sur le substrat et que les adatomes qui arrivent au pied du NF remontent systématiquement le long de celui-ci jusqu'à la goutte. Des résultats expérimentaux ont démontré que la cinétique des adatomes sur les facettes des NFs jouait aussi un rôle non négligeable dans la compréhension complète de la croissance des NFs en mode VLS.

J. C. Harmand et al⁷⁶ ont ainsi montré que, à partir d’une certaine longueur, la goutte est essentiellement alimenté par les adatomes collectés directement par les facettes du NF et que la vitesse de croissance est donc fonction de la longueur de celui et donc du temps de croissance. La croissance radiale n’est aussi pas prise en compte dans ce modèle. Ce sont ces effets et leur influence sur la croissance de NFs en mode VLS que nous allons maintenant présenter.

Nous avons vu dans les Figure 19 et Figure 20 que la morphologie des NFs est très conditionnée par la température de croissance. À basse température, les NFs ont une forme conique avec un diamètre de NFs plus large à la base qu’au sommet. Il apparait donc que la croissance ne se fasse pas uniquement de façon axiale mais aussi de façon radiale. Peu d’études ont d’abord décrit la croissance radiale des NFs. La première étude sur ce point a été publiée par Chen et al⁷⁷ en 2001. Les équations obtenues par ce groupe suggéraient l’existence d’un diamètre critique au-delà duquel la croissance radiale commençait. Plus récemment, V. Dubrovskii et al⁷⁸ ont pris en compte la nucléation sur les facettes des NFs, qui les ont conduits à développer une relation entre la longueur et le diamètre des NFs. Ils montrent alors que la morphologie des NFs dépend directement de la diffusion des adatomes le long des facettes. Ils expliquent que dans le cas de grande longueur de diffusion, les NFs auront une forme cylindrique et que, la diffusion diminuant, la nucléation sur les facettes des NFs augmentera. L’effet se traduit par une augmentation de la croissance radiale et les NFs auront donc tendance à adopter une forme en aiguille (Figure 19-c) ou bien une forme conique (Figure 19-b).

Ce modèle n’explique cependant pas les changements abrupts de diamètre observés expérimentalement dans certains cas^79,80,15 comme le montre la Figure 27 pour des NFs d’InAs¹⁵.

Figure 27 : Observation expérimentale de changement brusque de diamètre de NFs d’InAs¹⁵.

Pour expliquer ce comportement, M. Tchernycheva et al15 ont étudié les vitesses de croissance axiale et radiale de ces NFs d’InAs en fonction du temps de croissance et développé un modèle analytique pour rendre compte des résultats obtenus. Ils ont ainsi mis en évidence l’existence de deux régimes de croissance. Un premier régime où n’existe que la

croissance axiale et un deuxième régime où coexistent les croissances axiale et radiale. Ce deuxième régime commence à partir d’un certain temps de croissance et donc d’une certaine longueur des NFs, qui correspond approximativement à la longueur de diffusion des adatomes sur les facettes des NFs.

Dans le premier régime tout les adatomes qui arrivent du substrat et sur les facettes des NFs contribuent à la croissance axiale des NFs. La vitesse de croissance radiale est donc nulle et la vitesse de croissance axiale augmente avec le temps. Dans le deuxième régime, une partie des adatomes qui arrivent sur les facettes des NFs ou qui viennent du substrat ne contribuent plus à la croissance axiale, la longueur du NF devenant plus grande que la longueur de diffusion des adatomes.

M. C. Plante et al⁸¹ ont obtenu les mêmes types de résultats sur des NFs de GaAs. Pour expliquer la variation brusque de diamètre qui est observée, ils évoquent l’existence d’une barrière de Ehrlich-Schwoebel E-S (Figure 28), plus classiquement évoquée dans les mécanismes de croissance épitaxiale bidimensionnelle Il en résulte donc un changement brusque du diamètre entre la zone où n’existe que la croissance axiale et la zone où la croissance radiale se déroule couche par couche.

Figure 28 : Illustration schématique de l’origine du changement brusque de diamètre induit par une barrière de E- S⁸¹.

M.C. Plant et al81 ont aussi développé un modèle analytique pour rendre compte des résultats expérimentaux qu’ils avaient obtenus sur l’évolution des longueurs et diamètres de NFs de GaAs en fonction du temps de croissance (Figure 29-a). Ce modèle a été finalement reconsidéré par J.C. Harmand et al⁷⁶ pour rendre compte de leurs propres résultats expérimentaux obtenus pour des NFs d’InAsP (Figure 29-b).

Figure 29: (a) Evolution de la longueur des NFs de GaAs en fonction du temps de croissance. Résultats expérimentaux et courbes théoriques tirés du modèle de M.C. Plant et al ⁸¹. (b) Résultat expérimentaux de l’évolution de la longueur dse NFs d’InAsP en fonction du

temps de croissance⁷⁶.

On retiendra des résultats de M.C. Plant et al81 et de J.C. Harmand et al⁷⁶ que : 1- dans le premier régime correspondant aux temps de croissance courts, la longueur des NFs augmente de façon exponentielle avec le temps de croissance et que dans le même temps le diamètre reste constant et 2- dans le deuxième régime correspondant aux temps de croissance plus longs, la longueur des NFs augmente linéairement avec le temps de croissance.