In Situ Synchrotron X-ray Scattering of SiGe NWs : Growth, Strain and Bending
In Situ Synchrotron X-ray Scattering of SiGe NWs : Growth, Strain and Bending Etudes in situ par diffusion des rayons X synchrotron de la croissance, la déformation et la courbure de nanofils SiGe. Spécialité : Physique Arrêté ministériel : 3 Novembre 2014 Présentée par Thèse dirigée par Gilles RENAUD préparée au sein du CEA-Grenoble/INAC/SP2M/NRS dans l'École Doctorale de Physique de Grenoble In Situ Synchrotron X-ray Scattering of SiGe NWs : Growth, Strain and Bending
Résumé
This work summarizes the progress made on the BM32 beamline at the ESRF over the past 4 years since the launch of the CVD project, which was aimed at studying the in situ growth of SiGe nanowires, using synchrotron X-ray scattering techniques.
Results on the growth of Si and Ge NWs are first presented. The NWs length, size, spacing, facet morphology and their tapering angle are determined in real time with X-ray techniques. Special attention was paid to the very early stage of growth where changes in the shape of the AuSi liquid droplet were clearly observed. We also found clues indicating the presence of a metastable AuGe phase at the catalyst-substrate interface, the formation of which may be crucial to the sub-eutectic growth of Ge NWs.
Strain relaxation in Si-Ge core-shell NWs is presented next. The composition and strain were determined in situ as a function of the Ge overgrowth amount and of the annealing time, using anomalous X-ray scattering techniques. Their dependence on the NW size and on the shell growth temperature was also studied.
Finally, results on the in situ bending of as-grown NWs are shown. The bending was induced by depositing a second material on one side of the NWs. The strain and stress were determined by a combination of Bragg peak tracking, intensity simulation plus fitting and classic elasticity calculations. The bending induced by Ge deposition at 220°C is found to be mainly driven by the misfit stress, which scales almost linearly with Ge film thickness. On the other hand, the bending induced by Ge deposition at RT is found to be mainly driven by the surface stress, which evolves gradually from tensile to compressive for larger Ge thickness. A new technique was also devised which makes it possible to follow qualitatively the bending process. The NWs were seen dancing back and forth with increasing amount of deposition as revealed by real time stationary measurements with a 2D detector.
Ce travail résume les résultats d’études de la croissance in situ de nanofils (NFs) SiGe par UHV-CVD à l’aide des techniques de diffusion et de diffraction des rayons X (RX) synchrotron sur la ligne de lumière BM32 à l'ESRF.
Les conditions d’élaboration de NFs Si, Ge et SiGe dans notre bâti sont d’abord présentées. Les études in situ à l’aide de RX durant la croissance sont ensuite décrites. La longueur des NFs, leur taille, leur espacement, leur facetage ainsi que l’angle conique sont déterminés en temps réel. Des changements de forme de la goutte liquide aussi ont été clairement observés dans les premiers stades de la croissance. Une phase AuGe métastable à l'interface catalyseur-substrat a été identifiée. Sa formation pourrait être décisive pour la croissance sous-eutectique de NFs de Ge.
La relaxation des contraintes dans des NFs coeur-coquille de Si-Ge est ensuite présentée. La composition et la déformation ont été déterminées in situ par diffusion anomale des RX, en fonction de la quantité de Ge déposée et de la durée du recuit. L’influence de la taille des NFs et de la température de croissance de la coquille ont aussi été étudiées.
Enfin, des résultats sur la courbure in situ de NFs sont présentés. La courbure est induite par le dépôt d'un second matériau sur un côté des NFs. La déformation et la contrainte ont été déterminées par une combinaison de suivi de la position d’un pic de Bragg, de simulation et d’ajustement de l'intensité, et de calculs d'élasticité classiques. La courbure induite par le dépôt de Ge à 220°C est principalement déterminée par la contrainte de désaccord de maille, qui évolue presque linéairement avec l'épaisseur du film Ge. La courbure induite par le dépôt de Ge à la température ambiante (TA) se trouve principalement déterminée par la contrainte de surface, qui évolue progressivement de la tension à la compression pour une épaisseur de Ge plus grande. Pour le suivi de courbure en temps réel, nous avons mise au point une technique de mesures stationnaires avec un détecteur 2D. Elle a permis de mettre en évidence plusieurs changements de signe lors de dépôts d’Au et Ge à TA.
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