Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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La surface AlN(0001) contrôlée à l’échelle atomique

Une surface isolante et réactive qui ouvre des perspectives

par Evelyne Prevots - publié le

Les calculs DFT montrent que la surface AlN(0001) possède une charge nette égale à un quart de la charge d’un plan atomique en volume compensant ainsi la divergence du potentiel électrostatique inhérent à la structure wurtzite. Le calcul des diagrammes de phase en fonction de la température et des flux de NH3 et Al indique que la surface obtenue avec une vitesse de croissance de 10 nm/h est majoritairement reconstruite (2x2)-Nad, en accord avec les observations RHEED et NC-AFM in-situ.

Le semiconducteur nitrure d’aluminium AlN a un gap élevé (6,2 eV) et sa surface (0001) a été choisie pour le dépôt de molécules dans le cadre des recherches sur l’électronique moléculaire au sein du groupe GNS. Pour pouvoir être utilisée, celle-ci doit être parfaitement connue et contrôlée à l’échelle atomique. Un équipement ultra vide (UHV) multi-chambres a spécialement été conçu et assemblé au CEMES depuis 2007 pour permettre la croissance de couches minces d’AlN par épitaxie par jets moléculaires (EJM), et l’observation de la surface par microscopie à force atomique en mode non contact (NC-AFM). Les premières études des surfaces d’AlN élaborées à une vitesse de 100 nm/h (conditions G1) ont montré un très fort désordre à l’échelle atomique. En diminuant la vitesse de croissance à 10 nm/h (conditions G2), la surface présente une reconstruction (2x2) observable par RHEED in situ lors de la croissance, et par imagerie NC-AFM à température ambiante après transfert sous UHV de l’échantillon vers le microscope (image (b)). Afin de connaître la nature atomique de cette reconstruction, nous avons, dans un premier temps, calculé par DFT les différents modèles de reconstruction atomique (2x2). Ces calculs nous ont permis de montrer que les reconstructions remplissent le critère de stabilité électrostatique émis par Goniakowski et al. En effet, l’AlN hexagonal a une structure wurtzite et sa face (0001) est électrostatiquement instable. Cette instabilité électrostatique est annulée si la couche de surface reconstruite a une charge nette égale à -¼ de la charge d’un plan atomique Al, ce qui a pu être vérifié en analysant les charges de Bader à partir des calculs DFT. Dans un second temps, nous avons calculé les diagrammes de phase en fonction de la température du substrat, de la pression d’ammoniac (NH3) et du flux d’aluminium (Al). A une température de 1040°C, on observe bien sur le diagramme (figure c) une transition entre une surface désordonnée obtenue avec les conditions G1 et une surface à 90% reconstruite (2x2) VI Nad obtenues dans les conditions G2. Cette reconstruction a la particularité de ne pas être hydrogénée, avec la présence d’un atome d’azote supplémentaire très réactif d’un point de vue chimique.

 

Référence de l’article

Noncontact atomic force microscopy and density functional theory studies of the (2×2) reconstructions of the polar AlN(0001) surface, Florian Chaumeton, Roberto Robles, Miguel Pruneda, Nicolás Lorente, Benoit Eydoux, Xavier Bouju, Sébastien Gauthier, and David Martrou

Phys. Rev. B 94, 165305 – Published 17 October 2016

http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.94.165305

 

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David Martrou (dmartrou chez cemes.fr)