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Submitted on 1 Jan 1982
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STRUCTURE DES JOINTS DE GRAINS DANS LES SEMICONDUCTEURS
A. Bourret, C. d’Anterroches
To cite this version:
A. Bourret, C. d’Anterroches. STRUCTURE DES JOINTS DE GRAINS DANS LES SEMICONDUC- TEURS. Journal de Physique Colloques, 1982, 43 (C1), pp.C1-1-C1-8. �10.1051/jphyscol:1982101�.
�jpa-00221754�
JOURNAL DE PHYSIQUE
Colloque Cl, supplément au n°10, Tome 43, octobre 1982 page CI —1
STRUCTURE DES JOINTS DE GRAINS DANS LES SEMICONDUCTEURS A. Bourret et C. d'Anterroches*
Centre d'Etudes nucléaires de Grenoble, Département de Recherche Fondamentale, Section de Physique du Solide, 85 X, 38041 Grenoble Cedex, France
Résumé - La structure cristallographique locale des joints de grains dans les semiconducteurs comporte certaines particularités : plusieurs types de coïncidences existent puisque le groupe d'espace des cubiques diamant contient un élément de translation. De plus les liaisons cova- lentes tendent à maintenir la tetracoordination même dans les défauts.
Les différents motifs rencontrés dans les dislocations des sous joints peuvent fournir la base des arrangements locaux des joints. Certains motifs particulièrement simples rendent compte des joints à haute symétrie et forte coincidence. Les résultats expérimentaux obtenus par microscopie électronique haute résolution confirment ces structures simples. Cependant il est à prévoir que pour des désorientations ou des plans de joints quelconques, des motifs complexes mettant en jeu des reconstructions soient nécessaires.
Abstract - The grain boundary (GB) local structure in semiconductors has two peculiarities : several coincidence types may exist as the space group of diamond cubic contains a translation. Moreover covalent bonding tends to favour tetrahedral arrangement even in defects. The different patterns observed in subgrain boundaries dislocations should give the basic local structures for general GB. Some of these patterns are particularly simple and can be used in highly symmetrical and coincident twin position. Experimental results obtained by high reso- lution electron microscopy confirm this idea. However more complex patterns containing reconstructed bonds may play an important role for more general GB.
1. Introduction.- La connaissance de la structure des joints de grains a beaucoup progressé depuis quelques années. En effet bien que des modèles variés aient été proposés, les méthodes expérimentales susceptibles de confronter expérience et théorie sont apparues relativement récemment. Dans ce domaine l'essentiel devait être fourni par la microscopie électronique depuis les travaux de Schober et Baluffi sur l'or (1) jusqu'aux études à haute résolution (2) plus récentes mais en plein développement. Les méthodes de diffraction X (3) ou électrons (4) fournissent égale- ment de précieux renseignements au niveau des relaxations locales et des symétries de ces relaxations (5). La nature périodique des joints de macle s'est ainsi imposée et une grande partie des descriptions de joints repose sur l'analyse des propriétés du biréseau (6) formé par les deux cristaux adjacents : le réseau de coincidence (csl) en particulier a souvent été invoqué pour expliquer la structure des joints observés dans les métaux. Le cas des semiconducteurs devait être abordé récemment car il comporte une complexité supplémentaire tenant à leur structure cubique diamant (ou type blende dans le cas des semiconducteurs composés). Les travaux actu- els portent sur des bicristaux tirés par Czochralski(7), des cristaux maclës (8) des polycristaux (9) ou des cristaux collés (10) sur le silicium et le germanium.
Aucune étude complète n'a encore été entreprise sur les semiconducteurs composés bien que de nombreuses observations de macle, joints ou sous joints aient été faites (11). Dans cette revue nous porterons une attention particulière aux structures locales qui apparaissent dans le plan du joint : nous retiendrons les spécificités
*Adresse actuelle : CNET, CNS, BP 42, 38240 Meylan, France
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1982101
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dues à l a s t r u c t u r e diamant (ou blende dans l e cas des semiconducteurs composés) e t l ' a c c e n t sera mis s u r l e l i e n q u i e x i s t e avec l e s s t r u c t u r e s apparaissant dans l e s d i s l o c a t i o n s ou l e s sous j o i n t s . E n f i n nous r e t i e n d r o n s essentiellement parmi l e s méthodes expérimentales c e l l e s q u i permettent d'accéder directement à 1 'arrangement au niveau du j o i n t c ' e s t - à - d i r e à l a microscopie é l e c t r o n i q u e haute r é s o l u t i o n (t.1.E.H.R.).
2. D e s c r i p t i o n géométrique du b i c r i s t a l : l e s p a r t i c u l a r i t é s du réseau cubique diamant. - Le réseau de base des semiconducteurs usuels comorend deux réseaux c u b i - ques à face centrée é q u i v a l e n t s (Si, Ge.. .) ou non é q u i v a l e n t s (semiconducteurs composés AsGa, CdTe ...) t r a n s l a t é s l ' u n p a r r a p p o r t à l ' a u t r e de 1/4 [1111. Par r a p p o r t au réseau de base c f c c e t t e t r a n s l a t i o n i n t r o d u i t de nouvel l e s p o s s i b i l i t é s . Pour d é f i n i r l a r e l a t i o n géométrique q u i d é c r i t l e biréseau formé par l e s deux c r i s - taux adjacents nous u t i l i s e r o n s l e s n o t a t i o n s de G r a t i a s e t a l (12). L ' o p é r a t i o n d ' i n t e r f a c e q u i l i e l e s deux c r i s t a u x 1 e t II e s t notée {Relf)Gol où
Re = d é f i n i t l a r o t a t i o n l i a n t l e s deux c r i s t a u x p l a ç a n t l ' a x e de r o t a t i o n s u r l ' o r i g i n e des c r i s t a u x 1 e t II (3 paramètres)
= e s t l a t r a n s l a t i o n r i g i d e du c r i s t a l II par r a p p o r t au c r i s t a l 1 e n t r e l e s s i t e s 0001 e t 00011
G = e s t l e groupe d'espace des c r i s t a u x , dans l e cas présent Fd3m ou ~ 4 3 m pour 18s s t r u c t u r e s de type blende. En e f f e t t o u t e o p é r a t i o n de ce groupe appliquée à 1 ou II la i s s e i n v a r i a n t l ' i n t e r f a c e . E n f i n il f a u t a j o u t e r l a d é f i n i t i o n du p l a n de l ' i n t e r f a c e (2 paramètres) son emplacement exact dans l a m a i l l e du biréseau n ' é t a n t pas indépendante du c h o i x de (13).
Pour c e r t a i n e s o r i e n t a t i o n s p a r t i c u l i è r e s R l e s p o i n t s en coincidence forment un réseau périodique : c e c i d é f i n i t une o r i e n t g t i o n de macle d ' i n d i c e C ( l ' i n v e r s e de l a d e n s i t é des s i t e s en coincidence). Le réseau de coincidence a i n s i formé (ou réseau c s l ) e s t i n v a r i a n t mais s u b i t une t r a n s l a t i o n pour t o u t déplacement combinai- son l i n é a i r e e t e n t i è r e des réseaux 1 e t I I . L'ensemble de ces t r a n s l a t i o n s forme l e réseau dsc (displacement s h i f t complete on displacement symmetry conserving).
Ce réseau dsc e s t p é r i o d i q u e dans l e cas où l e biréseau e s t l u i aussi p é r i o d i q u e ( c ' e s t - à - d i r e pour t o u t e s l e s o r i e n t a t i o n s de mâcle). Le groupe d'espace Fd3m possède l u i aussi un élément de t r a n s l a t i o n p a r t i c u l i e r T~ = 1/4 [lllli ce q u i i n t r o d u i t une n o u v e l l e complexité dans l a d e s c r i p t i o n des réseaux de coincidence.
Nous pouvons en p a r t i c u l i e r p r é v o i r que à p r i o r i q u a t r e p o s i t i o n s de coincidence sont possibles. Les 4 types de coincidence a i n i d é f i n i s C
,
C , C e t C ( f i g . 1 ) peuvent d ' a i l l e u r s conduire à des s t r u c t u r e s i d e n t i q u e s oh l i g e s $ar de2 opérations de symétrie pour c e r t a i n e s p o s i t i o n s p a r t i c u l i è r e s de R. Ces d i f f é r e n t s types de coincidence i n t r o d u i s e n t dans l e réseau dsc des p o i n t s supplémentaires que l ' o n a appelé des t r a n s l a t i o n s p a r t i e l l e s du dsc (7)\
~n
4 ;i
\! ?;I!
Fig. 1-Les 4 types de coincidence e x i s t a n t pour un j o i n t de r o t a t i o n e t de p l a n don- nés dans une s t r u c t u r e cubique diamant. La coincidence C l correspond à l ' a x e de r o - t a t i o n sur l e s s i t e s 100011 e t 10001 ; C2 s u r l e s s i t e s 11/4 1/4 1/41 e t 10001 ; C j s u r l e s s i t e s 100011 e t 11/4 1/4. 1/4III ; C4 s u r l e s s i t e s 11/4 1/4 1/4jI e t
11/4 1/4 1/4III.
Four coincidence types f o r a given g r a i n boundary i n a cubic diamond s t r u c t u - r e . The Cl coincidence has a r o t a t i o n a x i s on
lOOOl
and l000l II ; C2 on 11/4 1/4 1/4II and 10001
I I ; C3 on 10001
and 11/4 1/4 1/41
II ; C4 on 11/4 1/4 1/41 and1
1/4 1(4'1/4111Une deuxième p a r t i c u l a r i t é des s t r u c t u r e s étudiées t i e n t à l a l i a i s o n de c a r a c t è r e covalent à coordinence 4. Le type d ' h y b r i d a t i o n sp3 i n t r o d u i t une grande d i r e c t i o n - n a l i t é des l i a i s o n s e t b i e n qu'une c e r t a i n e souplesse a n g u l a i r e s u b s i s t e on peut p r é v o i r que dans tous l e s cas possibles l e s s t r u c t u r e s de j o i n t tendent à conserver c e t t e coordinence. Dans l e s cas 00 c e t t e coordinence ne peut ê t r e conservée des r e c o n s t r u c t i o n s des l i a i s o n s pendantes tendent à se f a i r e , c e l l e s - c i peuvent i n d u i r e des doublements de p é r i o d i c i t é comme dans l e cas des d i s l o c a t i o n s (14). L ' u t i l i s a - t i o n du p o t e n t i e l phénoménologique de Keating pour tous l e s cas de coordinence 4 permet de d é c r i r e q u a l i t a t i v e m e n t t r è s correctement l e s s t r u c t u r e s de coeur des d i s l o c a t i o n s (15) : il s e r a i t i n t é r e s s a n t au moins comme seconde approche de 1 'em- p l o y e r pour l e s j o i n t s de g r a i n s . La première approche repose simplement sur l e respect d'une coordinence 4 : c ' e s t son a p p l i c a t i o n systèmatique par Hornstra il y a de nombreuses années (16) q u i d e v a i t l e conduire à proposer p l u s i e u r s schémas de j o i n t s de macle p a r t i c u l i e r s . C ' e s t également l u i q u i p r o p o s a i t à c e t t e époque 1 ' i d é e simple q u ' i l s u f f i s a i t de quelques c o n f i g u r a t i o n s de base pour e x p l i q u e r tous l e s j o i n t s . Il f a l l u t de nombreuses années pour que l e s preuves expérimentales essentiellement dues à l a microscopie é l e c t r o n i q u e , viennent appuyer ou compléter dans c e r t a i n s cas, ce t r a v a i l de p i o n n i e r .
3. Les i n t e r f a c e s périodiques : l e s d i s l o c a t i o n s p r i m a i r e s . - La d e s c r i p t i o n des j o i n t s de g r a i n s à f a i b l e angle f a i t i n t e r v e n i r des dislocations.Pour des j o i n t s de p l u s grand angle ce concept de d i s l o c a t i o n s se r é v è l e encore u t i l e au moins t a n t que l e s m o t i f s formant l e coeur proprement d i t ne s ' i n t e r p é n ê t r e n t pas. Aussi a l l o n s nous commencer par résumer nos connaissances s u r l e s sous j o i n t s .
3.1 - Les s o u s - j o i n t s (<IO0) - La s t r u c t u r e des sous j o i n t s e s t maintenant b i e n compri-e r o t a t i o n r e s t e f a i b l e ( 4 0 ' ) l e s modèles de d i s l o c a - t i o n s sont t r è s s a t i s f a i s a n t s . I l s permettent en o u t r e de c a l c u l e r complétement l e s déformations e t l e s c o n t r a i n t e s au voisinage du sous j o i n t e t s u r t o u t l ' é n e r g i e du j o i n t ( 1 7 ) . De plus ces j o i n t s o n t une grande importance pour l a ségrégation cas i l s développent des c o n t r a i n t e s à p l u s grande d i s t a n c e que l e s j o i n t s à grand angle. De nombreux r é s u l t a t s o n t é t é obtenus dans l e germanium e t l e s i l i c i u m
(4, 10, 18, 1 9 ) . La p l u p a r t o n t mis en évidence l a grande complexité des d i s l o c a - t i o n s pouvant a p p a r a î t r e c a r 1 'é n e r g i e de f a u t e de ces matériaux a une v a l e u r assez f a i b l e 2. 70 à 80 m~/m2. Par exemple dans un sous j o i n t d'axe CO111 l e s vecteurs de Burgers s u i v a n t s o n t é t é observés s u r des j o i n t s de f l e x i o n ou t o r s i o n
-bl = 1/2<110> d i s s o c i é en 2 p a r t i e l l e s 1/6<121> ( d i s l o c . à 60' ou v i s ) -b2 = 1/2<110> non d i s s o c i é : ( d i s l o c . de Lomer)
-b3 = < I l l > d i s s o c i é en 3 p a r t i e l l e s de Frank 1/3<111>
-b4 = 1/2<211> d i s s o c i é en 3 p a r t i e l l e s dont une 1/3<100>
-b5 = <100> non d i s s o c i é .
Le p l a n de j o i n t détermine l e ou l e s vecteurs de Burgers u t i l i s é s . Des c o n f i g u r a - t i o n s quelconques de j o i n t peuvent ê t r e obtenues par combinaison de ces diverses
autour de <011>. Les vecteurs de Burgers globaux des d i s l o c a t i o n s A, B, C, D sont respectivement b2, bl, b3, b4 (Germanium).
D i f f e r e n t d i s l o c a t i o n s on a pure t i l t g r a i n boundary (8=3O) w i t h <O112 common a x i s . Burgers v e c t o r o f d i s l o c a t i o n s A, B, C and D a r e r e s p e c t i v e l y b2, bl, b3, b4 (Germani um)
.
Il r e s s o r t des c a l c u l s d ' é n e r g i e que pour des angles 8 > 1°, l e s c o n f i g u r a t i o n s u t i l i s a n t des vecteurs de Burgers b2 ou b sont aussi s t a b l e s que c e l l e s u t i l i s a n t l e s d i s l o c a t i o n s bl habituellement présen$es dans l e matériau massif. A i n s i il a p p a r a î t que l e j o ~ n t s t a b i l i s e des c o n f i g u r a t i o n s de d i s l o c a t i o n nouvelles. Il e s t i n t é r e s s a n t à ce stade de comparer l e s diverses s t r u c t u r e s de coeur c a r a c t é r i s t i q u e s
JOURNAL DE PHYSIQUE
de ces défauts. Plusieurs motifs ont été observés par microscopie électronique haute résolution sur ces diverses dislocations. La figure 3 illustre les principaux:
le motif de la dislocation de Lomer 5/7 est particulièrement important car i l ne comporte pas de liaisons pendantes. Cependant les motifs des dislocations 30" et 90°, supposés reconstruits (la reconstruction n'a pas encore pu être mise en évi- dence expérimentalement) sont aussi très connus. De même le motif très complexe de la dislocation de Frank ou <100> comportant vraisemblablement aussi des reconstruc- tions n'est pas rare dans les sous joints.
'
8 1 f 8 hFig. 3 - Les différents motifs de coeur apparaissant dans les dislocations de sous joints de flexion d'axe <011>. a) matrice b) faute d'empilement c) dislocation de Lomer d) dislocation de Frank e) dislocation à 60° non dissociée f) partielle 30°
g) partielle 9U0 h) dislocation <100>.
Different core configurations of the atoms in grain boundary dislocations pure tilt around <011>. a) matrix b) stacking fault c) Lomer d) Frank e) 60' non dissociated f) 30' partial g) 90' partial h) <100>.
Il doit être possible avec tous ses motifs de construire également des joints de plans quelconques de flexion pure autour de <011>. Cependant si certains sont par- ticulièrement simples comme le joint symétrique avec un plan de symétrie le plus proche de 110 car i l utilise le motif c, d'autres seront particulièrement complexes en particulier le joint symétrique avec un plan de symétrie le plus proche de 100 qui utilise le motif h.
3.2
-
Les joints à grand angle - Les études expérimentales sur ces joints sont actuellement limitées aux joints de flexion d'axe [O111 et [OOl]. En effet la micros- c o ~ i e électroniaue haute résolution est limitée à des axes d'observation d'indice très simple et tous les défauts doivent être vus debout. De plus le nombre de macle observé est encore très faible cette méthode étant assez lourde.La macle 13 cohérente (111) de Si ou de Ge (fig. 4a) ne pose pas de problèmes parti- culiers,elle correspond à une coincidence de type C2 et utilise une répétition de motifs analoguesaurnotif b : les relations de premier voisin sont satisfaites com- plètement et seuls les second voisins sont perturbés par rapport à la structure cubique diamant. La macle C 9 (122) (fig. 4b) de Ge observée pour la première fois par Krivanek et al (20) puis par C. dlAnterroches (21) s'analyse facilement en motifs c. Ceux-ci sont imbriqués l'un dans l'autre pour produire la période complète du joint. Là encore la coincidence est de type C et correspond au modèle de Hornstra (16). Par rapport aux positions cristallines parqaites des cristaux 1 et II les relaxations locales sont indétectables (soit <0.02nm) (21).
La macle 1 27 (22) dans le silicium a été observée dans sa position symétrique (255).
Bien que le modèle ne soit pas indiqué dans ce travail 1 'image correspond à une suite
de m o t i f s c a l t e r n a t i v e m e n t séparés e t i m b r i q u é s e x p l i q u a n t l a l o n g u e p é r i o d i c i t é de c e j o i n t . L e p l a n (511) p e r p e n d i c u l a i r e donnant l u i a u s s i un j o i n t s y m é t r i q u e n ' e s t pas observé b i e n que l e nombre de p o i n t de c o i n c i d e n c e s y s o i t s u p é r i e u r . Ceci e s t probablement dû au f a i t que c e j o i n t c o n t i e n t des m o t i f s h d ' é n e r g i e assez é l e v é e . Dans l e s p o s i t i o n s asymétriques c e j o i n t t e n d à se d i s s o c i e r en deux j o i n t s s u c c e s s i f s une macle C3 p u i s C 9 donnant à 1 'ensemble une a l l u r e f a c e t é e à 1 ' é c h e l l e de 2 à 5 nm. La l a r g e u r de d i s s o c i a t i o n maximum e s t de l ' o r d r e de 1,5 nm.
De même, en s'appuyant s u r l e s r é s u l t a t s des f r a n g e s a e t d e - d i f f r a c t i o n é l e c t r o n i - que A.M. Papon e t a l . ( 5 ) o n t proposé p o u r modèle de C l 1 (311) une a s s o c i a t i o n des m o t i f s b ) e t c ) .
Deux macles d ' a x e commun [ O 0 1 1 o n t é t é observées ( 2 1 ) dans une p o s i t i o n symétrique.
Les macles 125 (170) e t C41 (190) p r é s e n t e n t l e s mêmes c a r a c t é r i s t i q u e s ( f i g u r e 4 c ) . Les d i s l o c a t i o n s s o n t m a i n t e n a n t b i e n séparées c a r l ' a n g l e de d é s o r i e n t a t i o n e s t p l u s f a i b l e que.pour l e s macles précédentes : l a p é r i o d e du j o i n t e s t de 2 nm e t 2,5 5 nm p o u r C25 e t C41. Le v e c t e u r de Burgers g l o b a l de ces d i s l o c a t i o n s e s t de t y p e [ O l O I . Cependant e l l e s s o n t n e t t e m e n t d i s s o c i é e s donnant un coeur a l l o n q é e t
F i g . 4 - Image à h a u t e r é s o l u t i o n d e 3 j o i n t s d e macle dans l e germanium a) C3, b ) Cg, c ) C25 observés l e l o n g de l e u r axe commun.
High r e s o l u t i o n images o f 3 p a r t i c u l a r t w i n s i n germanium a ) 13, b ) Cg, c ) C25 as viewed a l o n g t h e i r common a x i s .
La d i s s o c i a t i o n p e u t s ' e x p l i q u e r à p r i o r i s e l o n deux modèles :
i ) a [ o l o ] + a/2 [Oie] + a/2 [ O 1 0 1 s e l o n une s u g g e s t i o n de Smith e t a l . ( 2 3 ) i n t r o - d u i s a n t une f a u t e d'empilement a/2 [ O 1 0 1
i i ) a [ O 1 0 1 +a/2 [ O I I ] + a/2 [ O 1 1 1 avec des d i s l o c a t i o n s p a r f a i t e s mais a y a n t une composante v i s sans f a u t e d'empilement.
La d i s s o c i a t i o n proposée p a r Schober e t a l ( 1 ) e s t e x c l u e ne correspondant pas aux images e x p é r i m e n t a l e s . Les images H.R. peuvent d i s t i n g u e r d i r e c t e m e n t e n t r e ces deux modèles c a r l a c o n t i n u i t é des p l a n s c r i s t a l l i n s dans l a zone s é p a r a n t l e s deux d i s l o c a t i o n s e x c l u e l a présence d ' u n e f a u t e complexe e n t r a î n a n t des r e l a x a t i o n s q u i d e v r a i e n t b r o u i l l e r l ' i m a g e à c e t e n d r o i t . La présence d ' u n e t r a n s l a t i o n r i g i d e assez i m p o r t a n t e l e l o n g de 1 'axe [ O O i ] (Bacmann communication p r i v é e ) e s t en faveur d ' u n e t e l l e hypothèse. Sans q u ' i l s o i t encore p o s s i b l e de d é t e r m i n e r d i r e c t e m e n t l a s t r u c t u r e à p a r t i r des images H.R. il e s t cependant t e n t a n t d e s u i v r e des i d é e s s i m i l a i r e s à c e l l e s exposées pour des j o i n t s d ' a x e commun [ O l l ] . En p a r t i c u l i e r l e s coeurs des d i s l o c a t i o n s c o i n bl = a/2 [lia] e t à 45' b a/2 [ O 1 1 1 c o n d u i s e n t à des m o t i f s complètement r e c o n s t r u i t s où t o u s l e s atomes 6 n i une c o o r d i n a t i o n 4 ( f i g u r e 5 ) . Ces deux m o t i f s p e r m e t t e n t de c o n s t r u i r e l a p l u p a r t des j o i n t s de f l e x i o n symétriques a u t o u r de ( 0 0 1 ) . L ' a s s o c i a t i o n de 2 m o t i f s a ) de c h i r a l i t é d i f f é r e n t e f o u r n i t l a base d ' u n e d i s l o c a t i o n (010) pour 125 e t 141. Le m o t i f b ) f o u r n i t - l a base de l a s t r u c t u r e proposée p a r Bacmann e t a l ( c e t t e conférence)pour C5 (130).
Cl-6 JOURNAL DE PHYSIQUE
Fig. 5 - M o t i f de coeur des d i s l o c a t i o n s d'axe [O011 e t de vecteur de Burgers a) 1/2 [O111 45O b) 1/2 Cl101 coin. En c ) un modèle p o s s i b l e du j o i n t 125.
Core c o n f i g u r a t i o n o f a [O011 d i s l o c a t i o n s w i t h r e s p e c t i v e Burgers v e c t o r a) 1/2 [O111 45O b) 1/2 11101 edge. A p o s s i b l e mode1 f o r C25 i s proposed a t c ) .
3.3 - Les r e l a x a t i o n s secondaires
-
Ces r e l a x a t i o n s i n t r o d u i t e s p a r Bollmann (24) e t mises en évidence expérimentalement p a r l e c o n t r a s t e de c o n t r a i n t e h a b i t u e l en microscopie é l e c t r o n i q u e o n t f a i t l ' o b j e t d'une polémique quant à l e u r s i g n i f i c a - t i o n physique exacte (25). Rappelons que ces r e l a x a t i o n s permettent d'accomoder des d é s o r i e n t a t i o n s proches d'une p o s i t i o n de macle exacte. L ' i n t r o d u c t i o n de déplacements supplémentaires (ceux du réseau dsc q u i conserve l a s t r u c t u r e du j o i n t ) permettent en e f f e t d'accomoder l ' é c a r t àJa macle. On a a i n s i p a r l é de d i s l o c a t i o n s secondaires de vecteur de Burgers, b , égaux à un des vecteurs du réseau dsc. En f a i t on peut l e s considérer égalem8nt comme un réarrangement des d i s l o c a t i o n s p r i m a i r e s q u i m o d i f i e de temps à a u t r e l e u r s distances respectives.Ces deux approches sont fructueuses e t équivalentes.
Dans l a macle C3 par exemple où l a n o t i o n de d i s l o c a t i o n p r i m a i r e s'estompe, l e s é c a r t s de f l e x i o n autour de [011] donnent des d i s l o c a t i o n s 1/3 < I l l > vecteur du réseau dsc associé à C3. Ces d i s l o c a t i o n s observées en (21) sont i d e n t i q u e s au modèle proposé par F r i e d e l (26) : e l l e s i n d u i s e n t un déplacement l a t é r a l du p l a n de macle parfaitement v i s i b l e e l MEHR.
Par c o n t r e dans une macle 125 (170) l e s vecteurs du réseau dsc sont égaux à 1/50 t1701. Pour un é c a r t de f l e x i o n autour de [O011 l ' o b s e r v a t i o n du j o i n t a c o n d u i t aux conclusions suivantes (21) : à 1 'aplomb d'une r e l a x a t i o n secondaire l a d i s t a n c e e n t r e 2 d i s l o c a t i o n s p r i m a i r e s e s t localement m o d i f i é e pour former l'arrangement correspondant à l a macle l a p l u s v o i s i n e ( f i g . 6 ) . A i n s i pour un angle de désorien- t a t i o n supérieur de 0.35' à l a macle on observe l'arrangement correspondant à une coincidence v o i s i n e tous l e s 12 nm c e c i e s t en accord avec l a d e s c r i p t i o n par l e réseau dsc.
Fig. 6 - a) Image d'une p e r t u r b a t i o n dans 1 'arrangement des d i s l o c a t i o n s p r i m a i r e s donnant une r e l a x a t i o n secondaire C25 + 0.35' germanium. E n t r e A e t B 1 'arrangement normal de l a macle e s t m o d i f i é ; b ) l e s r e l a x a t i o n s secondaires observées en micros- copie normale ( c l i c h é J.J. Bacmann)
a) A secondary r e l a x a t i o n on a G.B. c l o s e t o C25 (+ 0.35') i n germanium.
Between A and B t h e normal c o n f i g u r a t i o n i s m o d i f i e d ; b ) Same secondary r e l a x a t i o n s as observed by s t r a i n c o n t r a s t (courtesy J.J. Bacmann).
4. L ' e f f e t des impuretés - L a ségrégation des impuretés au j o i n t de g r a i n e s t un phénomène b i e n connu. E l l e a é t é mise en évidence récemment dans l e s i l i c i u m p o l y - c r i s t a l l i n par analyse Auger (27). De p l u s e l l e e s t également t r è s v i s i b l e p a r MEHR dans tous l e s j o i n t s de g r a i n s <IO0 e t concerne essentiellement l'oxygène ( e t peut ê t r e l e carbone). Pour ce q u i e s t de l'oxygène (28) c e r t a i n e s c o n f i g u r a t i o n s sont p l u s sensibles à l a d é c o r a t i o n que d ' a u t r e s . A i n s i l e m o t i f d) ( v o i r f i g . 3 ) e s t p l u s f a c i l e m e n t décoré par l'oxygène que l e m o t i f c ) b i e n que l e s vecteurs de Burgers e t donc l e s c o n t r a i n t e s é l a s t i q u e s s o i e n t comparables. Il fa u t donc s ' a t t e n - d r e à ce que l e s j o i n t s u t i l i s a n t des c o n f i g u r a t i o n complexes ayant des reconstruc- t i o n s peu s t a b l e s s o i e n t f a c i l e m e n t décorés par l e s impuretés. Ceci a f f e c t e r a b i e n sur l'arrangement l o c a l de ces c o n f i g u r a t i o n s en l e s s t a b i l i s a n t e t peut éventuel- lement m o d i f i e r des paramètres macroscopiques comme l e s t r a n s l a t i o n s r i g i d e s . 5. Conclusion - S i l ' é t u d e e x c l u s i v e des j o i n t s à f o r t e coincidence e t grande symétrie LC3 (111) ; 19 (122) ; C5 (131) ou C l 1 ( 2 3 3 ) l tend à montrer que tous l e s j o i n t s peuvent se c o n s t r u i r e p a r u t i l i s a t i o n de n i o t i f s de base simples c e t t e conclusion e s t t r è s incomplète. En e f f e t pour des j o i n t s non symétriques ou des j o i n t s d ' a x e d i f f é r e n t s de [O011 e t [O111 des m o t i f s plus complexes apparaissent.
On peut souvent imaginer des r e c o n s t r u c t i o n s t o t a l e s ou p a r t i e l l e s des l i a i s o n s pendantes, mais ces l i a i s o n s seront t o u j o u r s des l i e u x de p e r t u r b a t i o n é l e c t r o n i q u e importants e t seront p l u s f r a g i l e s à une attaque des impuretés. Même dans l e cas où l e j o i n t se f a c e t t e ou se d i s s o c i e en p o r t i o n s de p l u s basse énergie, l e s i n t e r - sections ou marches a i n s i créées concentrent l a majeure p a r t i e des arrangements locaux t r è s perturbés. Ces régions imposeront a l o r s au j o i n t des p r o p r i é t é s é l e c - troniques ou chimiques p a r t i c u l i è r e s . Ceci e s t parfaitement i l l u s t r é par l ' o b s e r v a - t i o n des sous j o i n t s d ' a n g l e moyen e t de p l a n auelconques. A i n s i s i 1 'étude des b i c r i s t a u x au voisinage des p o s i t i o n s de macle a f a i t f a i r e d'énormes progrès à l a compréhension de ces s t r u c t u r e s il f a u d r a i t maintenant aborder p l u s en d é t a i l l ' é t u d e des j o i n t s r é e l s des p o l y c r i s t a u x .
Remerciements - Les auteurs remercient J.J. Bacmann e t A.M. Papon pour de nombreuses discussions e t l a communication de r é s u l t a t s avant p u b l i c a t i o n .
Références
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JOURNAL DE PHYSIQUE
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DISCUSSION
M. ROD0T.- Quelles sont l e s limites de resolution a c t u e l l e s ? A. B0URRET.- Actuellement 2
a.
P . GUYOT.- Quel e s t l e rble des relaxations dues aux surfaces l i b r e s sur l e s s t r u c t u r e s atomiques des dislocations observees en microscopie electronique haute r&solution ?
A . B0URRET.- Cela depend du materiau. Pour Si l a force de frottement de reseau e s t assez f o r t e pour que l ' e f f e t de surface s o i t t r e s f a i b l e . C ' e s t moins vrai pour Ge, e t pour A1 par exemple l e s surfaces jouent u n r b l e important e t l a dislocation se deforme d son voisinage.
H.F. MATARE.- Do you recall the work by J . Cohn a t the time of Honstra's work ? He showed zig-zag type of repaired boundaries (twins of higher order) i n s i l i c o n and he gave the C-values.
You indicated 8 degrees of freedom f o r a b i c r y s t a l . We generally consider 5 degrees : t i l t , t w i s t , rotation and two degrees f o r the orientation of the grain boundary plane ? Why 3 more degrees ?
A . B0URRET.- The work by J . Cohn has been recently observed a t a very small scaleonan asymmetric C27 G . B . (Cunningham e t a l . 1982) and facetted s t r u c t u r e may e f f e c t i v e l y lower the t o t a l energy of a G.B. The 3 more degrees account f o r the possible trans- l a t i o n of both grains r e l a t i v e t o each o t h e r , a s the rotation axis i s defined with two a r b i t r a r y b u t fixed origins i n each grain. A l o t of experimental observations have now been performed showing t h e existence of such a t r a n s l a t i o n .
