Dynamique de la ligne triple Solide-Solide-Vide – LOTUS

Au niveau de la modélisation, nous proposons une approche combinant des descriptions à différentes échelles : modèles continus, modèles de marche atomiques, et simulations atomistiques (MD et KMC). Nous avons des collaborations internations fortes sur les méthodes Monte Carlo Cinétique (réactivité : Y. Saito, Japon, élasticité : P. Smereka, USA). Nous développons localement les autres approches (dynamique moléculaire et modèles continus).

Au niveau expérimental, les mesures par LEEM montre simultanément la microsctructure de la ligne triple et le comportement des marches atomiques dans son voisinage à l'échelle nanométrique. Le LEEM permet donc de charactériser les processus physiques à différentes échelles. Nous combinerons cette étude avec d'autres outils de visualisation (AFM/STM).

Nous avons avancé de façon significative sur la compréhension de plusieurs aspects du comportement de mouillage des nanoparticules solides. Ceci se traduit par deux publications marquantes: La première sur les effets des contraintes élastiques (mono-partenaire dans Phys Rev Lett) sur la stabilité des nanoparticules sur des substrats nanopatternés. La deuxième (multi-partenaire dans Phys Rev B) sur l comportement es îlots de Si/SiO2 à haute température, qui forment des nanopores en régissant avec le substrat.

De plus, nous avons obtenu des résultats sur le rôle de l'anisotropie sur le démouillage par une étude comparative entre Si/SiO2 et Ge/SiO2 (Phys Rev B 2013). Nous avons aussi montré qu'il est possible d'inhiber le démouillage grâce à un dépôt d'Oxygène (Appl. Phys. Lett. 2014).

Les perspectives de se projet s'ouvrent essentiellement dans deux directions :
1) Une compréhension fondamentale du comportement hors équilibre de la ligne triple. Ceci inclus d'abord des lois phénoménologiques qui généralisent la loi d'Young. De plus, nous espérons obtenir les lois qui régissent le comportement de la ligne triple en présence de réactivité ou de contraintes élastiques.
2) De nouvelles méthodes pour controler le mouvement de la ligne triple, notamment pendant le démouillage des films solides ultra-minces. Ici, les effets clés sont l'anisotropie cristalline, ou l'accrochage de la ligne triple par des défauts ou des patterns.

8 articles dans des revues internationales à comité de lecture (dont une dans Phys Rev Lett).
1. F. Leroy, F. Cheynis, T. Passanante, P. Müller Phys. Rev. B 88 (2013) 035306
2. F. Cheynis, F. Leroy, P. Müller, Comptes rendus de Physique 14 (2013) 578
3. S. Curiotto, F. Leroy, F. Cheynis, P. Müller, Applied Physics letters 104 (2014) 061603
4. F. Cheynis, F. Leroy, et al Review of Scientific Instruments 85 (2014) 043705
5. S. Curiotto, F. Leroy, F. Cheynis, P.Müller Surface Science 632 (2015) 1
6. J. Fuhr, P. Müller Beilstein Journal of nanotechnology 6 (2015) 321
7. Anna Chame and Olivier Pierre-Louis, Phys. Rev. B 90, 195408 (2014)
8. M. Ignacio, Y. Saito, P. Smereka, and O. Pierre-Louis, Phys. Rev. Lett. 112, 146102 (2014)
9 communications orales (dont 4 invités) dans des conférences internationales.

La description de la ligne triple est l'un des problèmes fondamentaux de la dynamique et de la statique du mouillage. Elle a fait l'objet de nombreuses études dans le cas des liquides. Cependant, malgré que le fait que les films solides soient les composants élémentaires de nombreux procédés technologiques, la ligne triple des solides reste mal comprise, particulièrement dans les situations hors équilibre. Dans le cadre de ce projet ANR, nous projetons de développer une compréhension plus précise de la statique et la dynamique des lignes triples solide-solide-vide (ou solide-solide-vapeur), et de discuter quelques questions plus spécifiques: comment les conditions hors d'équilibre (croissance, ou démouillage) modifient-elles la condition d'Young d'équilibre à la ligne triple? Quelle est l'influence des réactions chimiques sur la ligne triple? Quel est le role des hétérogénéités de surface (topographiques et chimiques) sur le comportement de la ligne triple?

Le programme de ce projet se décompose en 3 étapes, chacune de ces étapes donnant lieu à une collaboration étroite entre modélisation et expériences. Tout d'abord, nous projetons de déterminer la condition hors-équilibre qui régit la dynamique de la ligne triple au niveau macroscopique continu. Pour ce faire, nous proposons une approche « multi-échelle » dans laquelle mous modéliserons la ligne triple aux différentes échelles (atomistiques, marches atomiques, continu), et nous observerons la ligne triple aux différentes échelles (LEEM, AFM,STM, TEM). Dans une deuxième étape, nous nous intéresserons à la dynamique de la ligne triple en présence de réaction chimique, et nous étudierons particulièrement le cas de Si/SiO2 (ilots réactifs), et SiO2/Si (désoxydation). Finalement, nous étudierons les moyens de controler le mouillage-démouillage par l'anisotropie, et par l'accrochage de la ligne triple sur un substrat hétérogène.

Finalement, nous espérons utiliser nos résultas pour proposer de nouvelles stratégies pour contrôler la morphologie et la stabilité des nanostructures.