Le silicium congelé imite le Big Bang
Nouvelles idées pour la fabrication de couches de matériaux semi-conducteurs sans défauts
Les cellules solaires et les puces informatiques ont besoin de couches de silicium aussi parfaites que possible. Toute imperfection dans la structure cristalline d'une plaquette de silicium augmente le risque d'une efficacité réduite ou de processus de commutation défectueux. Si l'on sait comment les atomes de silicium s'arrangent pour former un réseau cristallin sur une surface mince, on obtient des informations fondamentales sur le contrôle de la croissance cristalline. À cette fin, une équipe de chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), de l'université de Duisburg-Essen et de l'université canadienne d'Alberta a analysé le comportement du silicium surgelé. Les résultats montrent que la vitesse de refroidissement a un impact majeur sur la structure des surfaces de silicium. Le mécanisme sous-jacent pourrait également s'être produit lors des transitions de phase dans l'univers primitif, peu après le Big Bang.
À basse température, des paires d'atomes de silicium, appelées dimères, se forment à la surface du silicium et peuvent s'incliner vers la droite ou vers la gauche comme une balançoire. Au-delà d'une certaine température critique - dans le cas du silicium, 190 kelvins (-83 °C) - les dimères oscillent d'avant en arrière entre les deux états. "Lorsqu'ils sont refroidis en dessous de la température critique, les dimères se bloquent dans l'un des deux états", explique Gernot Schaller, responsable de la technologie de l'information quantique à l'Institut de physique théorique du HZDR. "Ils sont effectivement gelés par cette transition de phase".
En outre, les dimères individuels s'influencent mutuellement. Cette influence dépend de la disposition des dimères : le couplage dans la direction transversale est plus fort que dans la direction longitudinale. "Et c'est précisément cette forte anisotropie qui est essentiellement responsable du comportement des dimères à la surface", explique Schaller. "En fonction de la vitesse de refroidissement, nous observons une transition d'un comportement unidimensionnel à un comportement bidimensionnel. Unidimensionnel signifie que lorsque le refroidissement est extrêmement rapide, plus de 100 kelvins par microseconde, les angles d'inclinaison des dimères s'arrangent le long de longues chaînes. En revanche, si la température baisse plus lentement, le comportement bidimensionnel prévaut. Dans ce cas, les dimères de silicium forment des surfaces plus ou moins grandes et ordonnées, appelées domaines, caractérisées par une structure en nid d'abeille uniforme. "Plus le refroidissement est lent, plus les domaines sont grands", explique Schaller.
Pour calculer la structure de la surface cristalline, les chercheurs ont utilisé le modèle dit d'Ising. Ce modèle mathématique prend en compte les angles d'inclinaison des dimères de silicium, qui ne peuvent prendre que l'un des deux états possibles. Cette description élégante d'une transition de phase lors du refroidissement rapide des surfaces de silicium grâce au modèle d'Ising anisotrope n'est pas que pure théorie. Les chercheurs ont également comparé leurs calculs analytiques et numériques avec des données expérimentales.
Chaînes en nid d'abeille et en zigzag
Les images à haute résolution obtenues au microscope à effet tunnel des surfaces de silicium surgelées révèlent des structures qui correspondent aux simulations. On peut observer à la fois des structures bidimensionnelles étendues en nid d'abeille et des limites unidimensionnelles nettes entre des chaînes en forme de zigzag. "Nos collègues de l'université de Duisbourg-Essen prévoient d'autres expériences qui pourraient confirmer l'impact de la vitesse de refroidissement sur la structure de la surface de silicium, par analogie avec nos simulations", déclare le professeur Ralf Schützhold, directeur de l'Institut de physique théorique du HZDR.
Les résultats ne génèrent pas seulement de nouvelles idées pour la fabrication sur mesure de surfaces de silicium sans défaut, "la façon dont les dimères de silicium se comportent présente des parallèles avec le mécanisme dit de Kibble-Zurek", ajoute M. Schützhold. Nommé d'après les physiciens théoriques Tom Kibble et Wojciech H. Zurek, ce modèle théorique décrit comment les défauts topologiques, c'est-à-dire les imperfections dans une structure ordonnée, se forment lors de transitions de phase rapides. Kibble a étudié les processus de refroidissement de l'univers très jeune qui a suivi le Big Bang. Les défauts topologiques, tels que les monopôles ponctuels ou les défauts linéaires - les cordes cosmiques - pourraient avoir été créés de cette manière. Zurek a prédit un comportement analogue dans la matière condensée en utilisant l'exemple de l'hélium superfluide cryogénique. Aujourd'hui, l'équipe de Schaller et Schützhold a montré que le mécanisme Kibble-Zurek est apparemment beaucoup plus répandu que prévu et qu'il peut même se produire sur des surfaces de silicium surgelées.
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