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


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Reconstruction géante à la surface du carbure de silicium

Le chainon manquant basé sur un nouveau type de silicium

par Evelyne Prevots - publié le , mis à jour le

L’enrichissement progressif de la surface 6H-SiC(0001) en atomes de silicium a permis de découvrir une reconstruction géante de maille (12x12) et une autre de maille (4x8). À partir des observations STM, un modèle atomique a été construit en introduisant un nouveau type de Silicium en pont avec des atomes de la surface de SiC. Ces Si-pont ont aussi permis de modéliser deux autres reconstructions observées par d’autres équipes.

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(gauche) Image STM de la reconstruction géante (12x12) obtenue sur la surface 6H-SiC(0001) après dépôt de 1 monocouche de Si. (droite) Modèle atomique de la reconstruction (12x12) optimisé en dynamique moléculaire. Les atomes de Si de la surface SiC(0001) sont en vert, ceux de la première couche en jaune, et ceux en orange sont au sommet des pyramides observées sur l’image STM.

Le carbure de silicium hexagonal 6H-SiC(0001) est utilisé en microélectronique de puissance pour son énergie de bande interdite élevée (3 eV), et dans le domaine des sources à photon unique grâce à ces états de surface. Dans les deux cas, la connaissance des reconstructions de surface est primordiale pour obtenir les meilleurs composants. De nombreuses études basées sur la sublimation d’un excès de silicium ont permis de découvrir différentes reconstructions, parmi lesquelles la (√3´√3)-R30° [1] et la (3x3) [2] ont des structures atomiques connues avec respectivement 1/3 et 13/9 de monocouches de silicium. En utilisant une procédure d’enrichissement progressif en silicium de la surface 6H-SiC(0001), nous avons découvert deux autres reconstructions intermédiaires : la géante (12x12) et la (4x8). À partir de la position des atomes de surface observée en microscopie à effet tunnel (STM), nous avons construit des modèles atomiques en introduisant un nouveau type d’atomes de silicium. Ces atomes appelés Si-pont sont liés à deux atomes de silicium du plan terminal du cristal 6H-SiC(0001). Ils permettent de faire le lien entre la reconstruction (√3´√3)-R30° et les reconstructions suivantes tels que la (12x12) et la (4x8). Les modèles atomiques ont été validés à l’aide de simulation en dynamique moléculaire en utilisant les potentiels de Tersoff. Ces simulations ont montré la stabilité de la (12x12) jusqu’à 600°C, et la (4x8) jusqu’à 900°C, en bon accord avec les observations expérimentales. De plus l’utilisation des Si-ponts a permis de modéliser deux autres reconstructions observées expérimentalement par d’autres équipes : la (2√3´2√3)-R30° [3] et la (2√3´2√13) [4]. L’analyse des taux de couverture en silicium et des éléments de symétries nous a permis de dresser un tableau avec les six reconstructions connues à ce jour, et de présenter un moyen univoque de les discerner in-situ par diffraction d’électrons.

  1. A. Coati, M. Sauvage-Simkin, Y. Garreau, R. Pinchaux, T. Argunova, and K. Ad, Physical Review B 59, 12224 (1999), et autres citations incluses
  2. J. Schardt, J. Bernhardt, U. Starke, and K. Heinz, Phys- ical Review B 62, 10335 (2000), et autres citations incluses.
  3. F. Amy, P. Soukiassian, and C. Brylinski, Applied Physics Letters 85, 926 (2004).
  4. M. Naitoh, J. Takami, S. Nishigaki, and N. Toyama, Applied Physics Letters 75, 650 (1999) ;
    L. Li, Y. Hasegawa, T. Sakurai, and I. S. T. Tsong, Journal of Applied Physics 80, 2524 (1996).

 

Référence

Giant (12×12) and (4×8) reconstructions of the 6H-SiC(0001) surface obtained by progressive enrichment in Si atoms
David Martrou, Thomas Leoni, Florian Chaumeton, Fabien Castanié, Sébastien Gauthier, and Xavier Bouju
Phys. Rev. B 97, 081302(R) – Published 23 February 2018

 

Contacts

David Martrou, CEMES (CNRS)
dmartrou chez cemes.fr