Transition fragile ductile aux basses dimensions dans le silicium – BiDuL

simulations : simulation classique de la déformation de nanopilier de silicium.
expériences :
Deux voies sont envisagées pour la compression des nanopiliers de silicium. La première est la compression in situ sous faisceau RX cohérents (machine AFM partenaire Marseillais) pour détecter la nature des premiers évènements plastiques, la seconde est la déformation ex situ de nanopiliers au moyen d'un nanoindenteur (Poitiers) contrôlé en déplacement.

Premier résultat en simulations : la compression suivant [110] est connue pour favoriser un artéfact du potentiel de Stillinger Weber. Malgré la version modifiée du potentiel (SWm) nous n'avons pas réussi à corriger ce problème.

1.Les premiers échantillons ont été réalisés par lithographie et usinage FIB par la centrale techniques CNRS du LPN et par le partenaire Marseillais. Des premiers tests de déformation sous rayonnement synchrotron devrait être réalisés à l'ESRF du 10 au 16 Juillet 2013.
2.Les premières comparaisons des tests numériques avec les tests expérimentaux sont donc prévues pour début septembre.

à venir.

Depuis qu’il est possible d’élaborer et de manipuler des objets de taille nanométrique comme les nanopiliers, les nanofils…, l’étude de leur propriétés physiques a révélé des comportements inattendus et notamment différents de ceux connus dans les matériaux massifs. Par exemple, une augmentation de la limite d’élasticité est très souvent observée pour les systèmes de petites dimensions, celle-ci pouvant atteindre la limite d’élasticité théorique du cristal parfait pour les plus petits systèmes. Ce domaine de recherche portant sur l’étude de l’effet de taille sur les propriétés physiques est actuellement en plein essor au niveau mondial. Les propriétés de la transition fragile ductile dans les semiconducteurs sont également reliées à la taille. Dans le massif, la transition fragile ductile dépend principalement de la température, avec une température de transition de l’ordre de 0.6 fois celle de fusion. Cependant dans les objets de taille nanométrique, il a été montré que les semiconducteurs sont ductiles à température ambiante et sous très fortes contraintes pour des tailles suffisamment petites, alors que sous forme massive ils sont fragiles. Le fait que les nanostructures semiconductrices peuvent supporter de très grandes contraintes est déjà utilisé en microélectronique dans les transistors utilisant la technologie du silicium contraint. Cependant les contraintes emmagasinées dans ces dispositifs peuvent donner lieu à la formation de défauts durant le vieillissement, identifiés comme étant à l’origine de leur dysfonctionnement. La compréhension des phénomènes permettant la libération de l’énergie stockée par des mécanismes de fractures et/ou de dislocations dans les semiconducteurs est donc cruciale. Dans ce cadre, le projet a pour objectif la compréhension et la description en détail de la transition fragile ductile à température ambiante dans un semiconducteur modèle, le silicium, lorsque la taille des systèmes descend en dessous de quelques centaines de nanomètres. Cette étude fondamentale sera principalement axée sur la déformation des nanopiliers sans défauts, en utilisant des approches numériques et expérimentales de haut niveau. Du côté numérique, des simulations en dynamique moléculaire classique et multi-échelles seront réalisées afin d’identifier les tous premiers stades de la plasticité aux petites dimensions. Expérimentalement, des compressions in situ sous diffraction de rayon X des piliers de silicium, suivis d’analyses post mortem par microscopie électronique à transmission haute résolution munie d’un correcteur d’aberrations géométriques seront effectuées. Ceci permettra d’étudier les premières étapes de la déformation plastique dans les nanopiliers de silicium. Finalement, la comparaison des résultats obtenus à partir des expériences et des simulations permettra d’identifier des mécanismes réalistes de la déformation à l’échelle atomique.