HAL Id: jpa-00208529
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Mise en évidence d’un effet de taille quantique pendant la croissance par plans atomiques successifs de couches
ultra-minces d’indium et d’étain sur des films d’or
J.P. Chauvineau, C. Pariset
To cite this version:
J.P. Chauvineau, C. Pariset. Mise en évidence d’un effet de taille quantique pendant la croissance par
plans atomiques successifs de couches ultra-minces d’indium et d’étain sur des films d’or. Journal de
Physique, 1976, 37 (11), pp.1325-1330. �10.1051/jphys:0197600370110132500�. �jpa-00208529�
MISE EN ÉVIDENCE D’UN EFFET DE TAILLE QUANTIQUE
PENDANT LA CROISSANCE PAR PLANS ATOMIQUES SUCCESSIFS
DE COUCHES ULTRA-MINCES D’INDIUM
ET D’ÉTAIN SUR DES FILMS D’OR
J. P. CHAUVINEAU et C. PARISET
Institut
d’Optique (*),
Université ParisXI,
91405Orsay,
France(Reçu
le 4 mai1976, accepte
le15 juin 1976)
Résumé. 2014 Pendant la croissance de films ultra-minces d’indium ou d’étain condensés sur des couches minces d’or à basse température, on a observé des oscillations de la conductibilité électrique
en fonction de
l’épaisseur
du filmsuperficiel.
Un premier type d’oscillations est attribué à la variationpériodique
de la densité des défautssuperficiels
résultant de la croissance parplans atomiques
succes-sifs du dépôt métallique. Un second phénomène d’allure
pseudo-périodique qui
se superpose auprécédent
dans certains cas, est analysé en terme d’effet de taille quantique à partir d’un modèlesimplifié du
potentiel
dans la couche double ; les variations de conductibilité électrique sont reliéesaux discontinuités
périodiques
que présente la densité d’état au niveau de Fermi dans le système lorsquel’épaisseur
du film d’indium ou d’étain augmente.Abstract. 2014 Ultra-thin In or Sn
overlayers
are grown by vapordeposition
at low temperatureon
polycrystalline gold
films. The electrical conductivity of these doublelayers
shows oscillations when the thickness of the outer layer is increased. A first group of oscillations is related to theperiodic change
in density of surface defects when In or Sn films growby
successivemonolayers.
A second type of oscillationshaving
largerperiod
is ascribed to quantum size effects in the doublelayer.
A simple model is used to relate the electrical conductivity variations to the discontinuities
perio-
dicallyappearing
in the density of states when the thickness of theoverlayer
increases.Classification
Physics Abstracts
8.136 - 8.362
1. Introduction. - Au cours d’une etude
syst6mati-
que de
l’adsorption
d’atomesm6talliques
sur des filmsminces
d’or,
nous avons examine lecomportement
de la conductibilit6electrique
de couches doublesIn/Au
etSn/Au pendant
la formation du film super- ficiel d’indium ou d’6tain.Lorsque 1’epaisseur
moyenne de la couche adsorbee est inferieure a 10A environ,
son influence sur la conductibilit6electrique
estapproximativement 6qui-
valente a une modification de la reflexion des electrons de conduction de 1’or sur la surface recouverte par 1’adsorbat. Dans ces conditions la resistance
electrique
est sensible aux d6fauts de la couche
superficielle
dont la densite
depend
des facteursagissant
sur lacroissance du
depot
tels que latemperature,
la vitessede condensation ou la nature et la
pression
des gaz residuels.Pour des
6paisseurs
moyennesplus 6lev6es, I’analyse
de la conductibilit6
electrique
de la couche double devientplus complexe.
On doit tenir compte de l’interaction des electrons avecl’interface,
la surfacelibre et les d6fauts en volume de la couche adsorbee.
L’6tude d’un tel
systeme
a ete faite par Lucas[1]
dans le cadre de la th6orie de Fuchs-Sondheimer
[2],
mais ce
modele simplifi6
nepermet
pas de rendrecompte
des oscillations de conductibilit6electrique
que nous avons observ6es avec des couches doubles
In/Au
etSn/Au, lorsque 1’epaisseur
moyenne dudepot superficiel
varie de 10,i 50A
environ. Lap6riode
de ces oscillations 6tant d’un ordre de
grandeur comparable
a celui de lalongueur
d’onde associeeaux electrons de conduction du metal
adsorb6,
nousproposons de les attribuer a un effet de taille
quantique
dans les couches doubles.
L’apparition
de cepheno-
mene est li6e a la formation a basse
temperature
decouches ultra-minces d’indium ou d’6tain
qui pr6-
sentent une bonne structure interne et une faible
dispersion d’epaisseur.
2.
Preparation
des couches doubles. - Les6vapora-
tions et les mesures sont faites dans une enceinte à ultra-vide
6quip6e
d’une pompeionique.
Lapression
est
comprise
entre10-9
et10- 10
torrpendant
lesevaporations.
Leporte-6chantillon
atemperature
variable est enti6rement entour6 par un écran refroidi (*) Laboratoire associe au C.N.R.S.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:0197600370110132500
1326
par de 1’azote
liquide.
Les m6taux sont6vapor6s
àpartir
de creusets entungstene
chauffes par effet Joule.Une balance a quartz oscillant
placee pres
du porte- 6chantillon permet de mesurer la masse de metal condensee et la vitesse dedepot
sur lesubstrat;
elle est 6talonn6e
p6riodiquement
avec des couches d’or dontl’épaisseur
est mesur6e par des methodes interferentielles de rayons X dont laprecision
atteint1 % [3].
2.1 COUCHES MINCES D’OR. - Elles sont
d6pos6es
sur des supports en verre
( fl’oat-glass)
à 20OC, puis
recuites a 150 °C
pendant
une heure environ. Leur6paisseur
estg6n6ralement comprise
entre 200 et300
A ;
ces couches sontcontinues, d’6paisseur
rela-tivement
homog6ne
avec des cristaux dont les surfaces voisines d’unplan compact (111)
ont pour les electrons de conduction un taux de reflexionsp6culaire
assezélevé
(p ~- 0,8) [4]. L’6paisseur
6tant de l’ordre degrandeur
du libre parcours moyen des electrons de conduction a latemperature
ambiante onpeut
par l’interm6diaire de 1’effet dimensionnel sur la resistanceelectrique
6tudiersimplement
les variations du taux de r6flexionsp6culaire
en fonction des modifications de 1’etat des surfaces(structure, impuret6s adsorb6es).
2.2 COUCHES MINCES D’INDIUM OU D’TTAIN. - Le second metal est ensuite
depose
sur la couche d’or maintenue atemperature fixe;
la vitesse de conden- sation n’est que dequelques
centiemesd’angstrom/
seconde,
cequi permet
de controler avecprecision
lamasse
deposee.
Onenregistre
simultan6ment les variations de resistanceelectrique
de la double couchependant
ledepot. Apres
ces mesures, les films sont sortis de 1’enceinte ! ultra-vide pour etre examines par diffraction de rayons X et parmicroscopie
elec-tronique
en transmission.3. R6sultats
[5].
- Les courbes de lafigure
1montrent les variations de resistance
electrique
obte-FIG. I - - Variation de la resistance electrique de deux couches doubles Au/In enregistree pendant la croissance du film d’indium.
Courbe I : = - 190 °C ; Courbe II : t N - 250 °C. Résistance initiale de la couche d’or : t = 20 OC, Ro = 1,20 Q/D; t = - 190°C,
Ro = 0,37 Cl/O; t= -250°C, Ro = 0,17 Q/D.
nues par
superposition
d’indium sur deux couches d’or de meme6paisseur
moyenne e - 215A.
Latemperature
du film d’or estrespectivement
de- 190 °C et - 250 °C dans les
experiences
I et II.Qualitativement,
on observe dans les deux cas uneaugmentation
assezrapide
de la resistanceelectrique qui
atteint un maximum pour une masse d’indium6quivalente
a une6paisseur
moyenne de 10A
environ(region A).
La resistanceelectrique
de la double couche est alors6quivalente
a celle d’une couche d’or seule dont la surface libre diffuserait presque tota- lement les electrons de conduction(p ~ 0).
Cettediffusion due a la
presence
de l’indium peut intervenir :1)
A l’interfaceAu-In,
au niveauduquel le potentiel
n’a
plus
laperiodicite
de la surface libre de l’or enraison du d6saccord entre les r6seaux cristallins des deux
metaux ;
2)
Dans la couched’indium,
du fait d’6ventuellesimperfections
de structure;3)
A la surface libre du filmd’indium,
si elle contient6galement
des d6fauts(lacunes, adatomes,
amasbidimensionnels).
Cet accroissement de resistance est fortement module a - 250 °C par deux oscillations dont les minima
correspondent respectivement
a des6pais-
seurs
6quivalentes
a une et deux couches monoatomi- ques dutype (111)
dans lesyst6me quadratique
àfaces centr6es
(q.f.c.)
de l’indium. On observepr6ci-
s6ment par diffraction de rayons X
qu’une
couched’indium
plus 6paisse, d6pos6e
dans les memes condi- tions sur un film d’or est orientee avec lesplans ( 111 )
sensiblement
parall6les
auxplans (111)
de l’or et parconsequent
aux surfaces. Nous attribuons ces oscil- lations duparametre
despecularite
a la variation de la densite des d6fautssuperficiels
au cours de lacroissance par
plans atomiques
successifs du film d’indium en6pitaxie
sur l’or[6].
Au-dela du secondminimum,
la diffusion des electrons de conduction par la couche d’indium devientpratiquement totale,
et la formation du troisieme
plan atomique
n’entraineplus
de variationappreciable
de la resistance elec-trique.
Cependant,
apartir
d’une masse d’indium6qui-
valente a une
6paisseur
moyenne de 10A,
on observeune
brusque
diminution de resistance suivie de nou-velles oscillations dont
1’amplitude
decroitlorsque 1’epaisseur
du film d’indiumaugmente,
etqui dispa-
raissent au-delà de 50
A
environ(Fig. 1, region B).
Ces dernières
observations, ajout6es
a la valeur de lapseudo-p6riode
duphenomene
voisine de 10A,
nous font supposer que ces oscillations ont pour
origine
un effet de taillequantique
dans la double couche constituee par le film ultra-mince d’indium et son substrat d’or.Avant de proposer un modele a
1’appui
de cettehypothese,
mentionnons1’apparition
sur la courbeenregistree
a -250 °C,
d’une modulation dupheno-
mene
precedent
par un secondsyst6me
d’oscillationsdont la
periode
coincide sensiblement avec la distance interr6ticulaired111
de l’indiumq.f.c. ;
on peut donc supposer comme dans laregion
A que ces oscillations sont dues a une variationp6riodique
de la densite des d6fautssuperficiels
au cours de la croissance parplans atomiques
successifs de la couche d’indium.On d6nombre une
vingtaine
de ces demières oscil-lations ;
enconsequence 1’epaisseur
de la couched’indium doit rester bien
homog6ne pendant
sacroissance,
au moinsjusqu’a
une valeur de l’ordre de 50A.
Enparticulier,
si les fluctuationsd’6paisseur
restent inferieures a la
longueur
d’ondeAF
des electrons deconduction,
on sera dans une situation favorable a l’observation d’effets de taillequantiques [7].
Jaklevic et Lambe
[1 S]
ontcependant
montre que cette conditionpouvait
etre relax6e dans leursexperiences
d’effet tunnel entre films minces. Ce type de croissance
indique
que la mobilite des atomesd’indium,
des latemperature
de - 250OC,
est suffisante pour permettre la formation d’un reseau cristallin relativement bien ordonn6. Si onaugmente
la vitesse de diffusion super- ficielle en 6levant latemperature jusqu’a - 190 °C,
on constate que
pour
la m8me vitesse de condensation des atomes, la variationp6riodique
de la densite de d6fautsdisparait
alors que lephenomene
d’oscilla-tions de
grande p6riode
subsistc. 11 est doncprobable qu’a
cettetemperature
les defautssuperficiels
s’elimi-nent très
rapidement;
la croissance du film se fait defaqon
uniforme parsimple deplacement
lateral des marches de la surface libre. Unphenomene
semblablea ete obtenu en superposant de 1’etain sur des films d’or a basse
temp6rature (Fig. 2);
a1’exception
du mini-FIG. 2. - Variation de la resistance electrique de deux couches doubles Au/Sn enregistree pendant la croissance du film d’etain.
Courbe I : t ~- - 190 OC; Courbe II : t N 230 °C. R6sis- tance initiale de la couche d’or : t = 20 °C, Ro 1, 17 fl/ n
. t = - 190 °C, Ro = 0,35 Q/D; t = - 230 °C, Ro = 0,20 K2/ D.
mum de conductibilit6
electrique qui correspond
a laformation de la
premiere
monocouched’6tain,
seules les oscillations deplus grande p6riode
attribu6es6galement
a un effet de taillequantique apparaissent
nettement aux différentes
temperatures
choisies pources
experiences.
4. Modèle de 1’effet de taille
quantique
dans lescouches doubles. - On suppose que dans une couche double le
potentiel
suivant 1’axe zperpendiculaire
aux surfaces a la forme
indiqu6e
sur lafigure
3. LesFIG. 3. - Modele de puits de potentiel pour une couche double.
6paisseurs
des films sont e et t etcorrespondent respectivement
a la sous-couche d’or et a la couchesuperficielle
d’indium ou d’6tain. Les niveaux de Fermi des deux m6taux 6tant mis encoincidence, Vo repr6-
sente la difference
d’6nergie
entre les niveaux lesplus
bas de chacune des bandes
considerees ;
pourl’indium,
les electrons
pris
encompte correspondent
a laportion
de la surface de Fermi situee dans la troisi6me zone
de Brillouin. Avec des barri6res de
potentiel
infiniessur les surfaces z = - e et z = t, la fonction d’onde dans la direction z a la forme :
avec :
kil ,et
qll sont lescomposantes
des vecteurs K etQ paralleles
aux surfaces. La condition de continuiteI dTf I
i’interface z = 0 s’ecrit :deY dz
a 1’interfacc z = 0 s’6crit :Dans le cas
particulier ofi q k,
enposant :
les
equations (1)
et(2)
deviennentrespectivement :
1328
avec :
et
On
peut
r6soudregraphiquement
ounum6riquement
ce
systeme d’equations
pour une valeur fix6e de t ;on obtient des
couples
de valeurski et qi correspondant
aux niveaux
d’6nergies Ei(z) = h’ kf /2
m. Dans 1’es-pace des vecteurs d’onde les 6tats propres du
systeme ,
de double couche sont situ6s sur des
plans perpendi-
culaires a 1’axe
KZ
= k.En
realite,
dans nosexperiences 1’epaisseur t
dufilm
superficiel
estvariable ; il
est doncplus
int6ressant de determiner les valeurs de ceparametre
pour les-quelles
un desplans
d6finis ci-dessus devient tangent à la surface de Fermi du metalmassif,
de rayon qF.On a alors : -
d’ou :
so it :
ou :
Ainsi,
comme dans le cas d’une coucheunique d’6pais-
seur variable t la densit6 d’6tats pour une
energie
fix6e
N(E) pr6sente
en fonction de1’6paisseur
t desdiscontinuit6s
p6riodiques d’amplitude
d6croissantequi
donnent lieu a des oscillations de differentespropri6t6s macroscopiques
dusysteme
telle que la conductibilit6electrique [7, 8] (Fig. 4). Cependant,
FIG. 4. - Densite d’etats en fonction de 1’6paisseur pour une energie fix6e, dans un puits de potentiel symetrique ; to = AF/2. (D’apres
Elinson et coll. [8]).
il
apparait
dans1’expression (5)
un terme to =OF(e)IqF qui
n’existe pas pour lepuits symetrique simple,
etqui depend
de1’epaisseur
locale e de la couche d’or :La
dispersion d’6paisseur
dans la couched’or,
mesu- rable par des methodes interferentielles de rayons X[3]
estsuperieure
a lap6riode
De =n/kF ~ 2,6 A
de
F(e) ;
parconsequent
la valeur de to varie notable- ment d’unpoint
a un autre de la couche d’or. Maison
peut
constater sur lafigure
5 quelorsque
qFkF,
FIG. 5. - La fonction 4i(.) = Arc
tg - kF [- F tg (k,,. ) representeeI
pour
03A6F(e)
restepetit
dans unlarge
domaine de variation de1’epaisseur e
parrapport
a lap6riode
Ae. On auradonc une contribution
pr6pond6rante
desregions
de la couche pour
lesquelles
le terme to de la relation(5)
sera faible devant la
p6riode
bt =AF/2.
Ce r6sultatexplique
quemalgre
ladispersion d’6paisseur
dans lacouche
d’or,
les oscillations de la conductibilit6 enfonction de
1’epaisseur
du film d’indium peuvent n6anmoins etre observ6esexp6rimentalement,
aveccependant
uneperte
de contraste due aubrouillage
par les domaines du film d’or pour
lesquels :
De
plus,
dansI’hypoth6se
d’une croissance parplans atomiques
successifs du filmd’indium, 1’6paisseur t augmente
localement defaqon
discontinue(bt
=d1 11)
et varie d’une
region
a t’autre de la couche cequi
contribue
6galement
a r6duirel’amplitude
des oscil-lations de la courbe
NE(t)
enplus
des causes habi-tuellement cit6es telle que la duree de vie des 6tats propres du
syst6me.
Il reste a examiner comment la conductibilit6 mesur6e
depend
de la densite d’6tat dusysteme
dedouble couche.
La conductibilit6 propre du fihn d’indium est tres faible par
rapport
a celle du filmd’or,
enparticulier
dans le domaine
d’6paisseur
0 t 20A
ou l’on observe lesplus grandes
variations de la resistanceelectrique.
Dans cedomaine,
leparametre
determinant est le taux de r6flexionspeculaire
des electrons du film d’or sur la surface recouverte d’indium. Les 6tats propres calcul6spr6c6demment
sur le mod6lesimplifi6
de double couche
correspondent
a des electrons r6fl6chissp6culairement
c’est-a-direqui, après
leurs6j our
dans le filmd’indium,
reviennent dans la couche d’or en conservant leurcomposante KII.
Le nombrede ces electrons
depend
de deux facteurs :1)
La densite d’6tatN(EF).
On a vu que celle-ci oscillait avec1’6paisseur
du filmd’indium,
cequi correspond
aux oscillations degrande p6riode
2)
Le taux de reflexionsp6culaire
sur la surfacelibre du film
superficiel ;
a - 250OC,
la croissancepar
plans atomiques
successifs entraine des oscillations de ceparam6tre,
dep6riode dt1 =- dlll = 2,71 A
pour l’indium.
Ce mod6le
simplifi6
rend compte de 1’allure des courbesexp6rimentales
de la variation de conduc- tibilit66lectrique
de la couche double en fonction de1’epaisseur
du filmsuperficiel.
Des modelesplus
61abor6s ont ete utilises pour d6crire les 6tats elec-
troniques
en utilisant la th6orie des bandes dans unfilm
unique [9, 10];
les auteurs ont montre que leurs r6sultats étaient sensibles a la forme dupotentiel
au
voisinage
des surfaces. Avec des couchesdoubles,
il serait deplus
n6cessaire deprendre
une formeplus
exacte du
potentiel
a l’interface des deux m6taux.La surface de Fermi de l’indium a 6t6 6tudi6e
exp6rimentalement,
enparticulier
parHughes
etShepherd [11] qui
ont utilise 1’effet de Haas-vanAlphen. D’apres
lescaracteristiques
de cette surfacedans la troisieme zone de Brillouin ou elle est constituee par des anneaux de quatre bras
/3,
onpeut
determinerune
longueur
d’onde associee de l’ordre de 30A, qui
est
superieure
a la valeurAF ~
20A
6valu6e apartir
des courbes de la
figure
1. On doitcependant
noterqu’au voisinage
de la direction[lllJ
le diametredes
bras p
varie assezrapidement
en fonction de1’orientation,
et que pour1’or,
dans cette memedirection,
la surface de Fermipr6sente
des colsqui
rendent assez peu r6aliste un modele d’61ectrons libres. On constate par ailleurs que la
pseudo-p6riode
des oscillations
quantiques
peut etre mesur6e avecplus
deprecision
dans lesyst6me
Au-In que dans lesysteme
Au-Sn. Dans ce dernier cas, les variations de conductibilit6electrique
sontplus complexes
etcorrespondent sch6matiquement
a lasuperposition
de deux
syst6mes
d’oscillations dep6riodes
diff6rentes a -250 °C ;
cette observation s’accordequalitati-
vement avec les determinations
exp6rimentales
de lasurface de Fermi faites par Gold et
Priestley [Etain
blanc
quadratique; [12]]
et avec les effets de taillequantique
observes par Komnik et coll.[16]
dans desfilms minces
d’etain ;
mais nos r6sultats sont insuf-fisamment
precis
pour foumir des valeursqui puissent
etre
compar6es
defagon significative
avec ces dernièresmesures.
5. Conclusion. - Dans 1’etude de
1’epitaxie
demetaux sur des films minces
d’or,
la mesure de laconductibilit6
electrique peut
fournir desrenseigne-
ments int6ressants sur la structure et les
propri6t6s
de la couche
superficielle :
1)
Elle permet unrep6rage
de1’6paisseur pendant
la croissance du film
lorsque
la densite des d6fautssuperficiels
oscille avec unep6riode correspondant
a la distance entre les
plans atomiques qui
se formentsuccessivement. Avec de nombreux
m6taux,
seul le minimum associ6 a lapremiere
monocoucheapparait [13]
mais dans le casparticulier
de l’indium a -250 °C,
on a pu observer une
vingtaine
d’oscillations de cette nature. Onpeut
donc conclure que ce film croit selon le m6canisme de Frank-Van der Merve[14]
et conserveune
6paisseur
bien uniforme.2)
La realisation d’une couchesuperficielle
continueet
homog6ne,
dont1’epaisseur
estcomparable
a lalongueur
d’onde associ6e aux electrons de conduction entraine laquantification
de1’energie
du mouvementtransversal de ces electrons dans la couche double.
A cet effet de taille
quantique
sont associ6es des discontinuit6sp6riodiques
de la densite d’6tats dans la couche double en fonction de1’epaisseur
du filmsuperficiel;
elles se traduisent par des oscillations de conductibilitéelectrique
depériode
sensiblement cons- tante(6t
=ÀF/2)
etd’amplitude
d6croissantequi apparaissent
a - 250 OC et - 190 °Clorsque 1’epais-
seur du film d’indium ou d’6tain croit de 10 a 50
A
environ.
1330
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