HexaNW — Croissance vapeur-liquide-solide de nanofils de silicium de phase hexagonale diamant

La phase hexagonale diamant (polytype 2H) n’apparaît pas dans le diagramme des phases du silicium. Cependant, nous l’avons obtenue par croissance vapeur-liquide-solide (VLS) dans un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), en utilisant l’étain comme catalyseur. Le but du projet HexaNW est de comprendre ce qui stabilise cette phase pendant la croissance de façon à établir un protocole permettant de la reproduire de manière fiable. Nous utiliserons pour cela l’observation de la croissance à l’échelle atomique in-situ dans le microscope électronique en transmission environnemental (ETEM) du projet NanoMAX et sa modélisation grâce à des calculs ab-initio des énergies de surface et d’interface. La structure de bande calculée du silicium 2H donne un gap indirect de 0.95 eV qui devient direct dans les nanofils (Amato, Nano Lett. 16, 5694, 2016) ou sous une contrainte de tension bi-axiale (Rödl, …, and Guillemoles, Phys. Rev. B 92, 045207, 2015). Ces propriétés électroniques, ajoutées à l’abondance naturelle et l’innocuité environnementale de l’élément, en font un excellent candidat pour de futurs dispositifs nano-optoélectroniques. Le Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (LPICM, CNRS, École polytechnique, Université Paris-Saclay) développe des cellules solaires à base de jonctions radiales élaborées autour de nanofils. De manière tout-à-fait remarquable, le silicium amorphe déposé autour d’un cœur Si-2H dans de tels dispositifs pourrait appliquer une contrainte utilisable pour ajuster la bande interdite de la phase 2H. La structure 2H (P63/mmc) n’apparaît pas dans les expériences sous enclume de diamant, quelle que soit la température ou la pression. C’est pourquoi il a toujours été très remarquable de la trouver sous contrainte ou dans des couches épitaxiées. Sa présence dans des nanofils de silicium bruts de croissance n’avait jamais été clairement démontrée avant nos observations. ces dernières sont réalisées uniquement dans l’axe de zone de type [110] (3C)/ [11-20] (2H) où la caractérisation de la phase est indiscutable (Tang, Maurice, et al., Nanoscale, 2017). Les nanofils 2H que nous préparons diffèrent de ceux qui sont habituellement étudiés par : (i) leur petites dimensions (4 nm de diamètre), (ii) la technique de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) qui fonctionne à basse température et (iii) l’étain liquide que nous utilisons comme catalyseur. Le projet HexaNW a pour but essentiel la compréhension des mécanismes de croissance des nanofils Si-2H. Il permettra également de connaître les propriétés de tels objets, en fonction de leur taille et du polytype présent. Ses perspectives sont le développement de dispositifs optoélectroniques ou photovoltaïques profitant de la structure de bande unique de ces objets. Le programme en est le suivant: la croissance sera optimisée au LPICM, dans le réacteur-même qui a déjà produit cette phase. Ceci fera le principal objet du travail de thèse du doctorant payé par l’ANR. Elle sera observée dans l’ETEM NanoMAX en temps réel et à résolution atomique. Compte tenu du risque propre à cette partie du projet, l’étude in situ comportera également la croissance par jets moléculaires de nanofils de Ge par le partenaire C2N, dans des conditions propres à former le polytype2H. La caractérisation optoélectronique du matériau sera effectuée à l’IRDEP (CNRS, EDF, Chimie-ParisTech) sur des nanofils élaborés ex-situ. La cathodoluminescence (LPICM-C2N) donnera la luminescence individuelle de ces objets. La nucléation et la croissance seront modélisées au C2N (CNRS, Université Paris-Saclay) en utilisant les énergies de surface et d’interface calculées à partir des premiers principes au LSI (CEA, CNRS, École polytechnique, Université Paris-Saclay). La corrélation des observations à l’échelle atomique avec ces modélisations permettra une compréhension fine des conditions qui stabilisent la phase Si 2H.