Propriétés de la phase hexagonale 2H du Ge et Si – HEXSIGE

Ce projet de recherche HEXSIGE s’appuie sur notre découverte récente d’un procédé de transformation de phase dans les nanofils de Si et Ge sous contrainte. Le procédé mis au point permet d’obtenir des hétérostructures d’allotropes cubique-3C et hexagonal-2H de manière quasi-périodique le long d’un fil. Cette nanostructuration ouvre un champ nouveau de propriétés et de fonctionnalités à explorer.
HEXSIGE est un projet de recherche à caractère fondamental avec deux objectifs :
(1) étude des propriétés mécaniques des fils de Si et Ge et des effets de taille, identification de la force motrice de la transformation de phase et compréhension des mécanismes impliqués dans la transformation. Outre une avancée des connaissances sur la plasticité des nanofils, cette étude permettra d’optimiser le procédé de synthèse de nanofils hétérostructurés 3C/2H.
(2) acquérir des données de base sur les propriétés physiques de la structure Ge-2H et Si-2H et sur le nanofil hétérostructuré 3C/2H pour identifier les applications potentielles. Une approche expérimentale systématique associée à des calculs théoriques sera développée pour étudier les propriétés électroniques, optiques et vibrationnelles. Parmi l’ensemble des paramètres à quantifier, une attention particulière sera portée sur la détermination de la largeur de gap des phases 2H (donnée essentielle encore absente dans la littérature). L’autre aspect important consiste à analyser les conductivités thermiques et électriques des nanofils hétérostructurés.

Le projet bénéficie du savoir-faire du C2N en croissance et en procédés technologiques sur les nanofils et de l’expertise reconnue des 5 partenaires (C2N, SOLEIL-synchrotron, LPS, INL, LOMA) en caractérisation des nanomatériaux. Le succès du projet est assuré par la complémentarité des différents outils de caractérisation qui seront utilisés et la spécificité de certains d’entre eux. Citons entre autre, l’analyse infrarouge (IR) qui sera utilisée pour sonder d’une part les propriétés optiques et électroniques des phases Ge-2H et Si-2H en mesurant l’absorption des porteurs libres dans la gamme du moyen et proche IR, et d’autre part les propriétés vibrationnelles en mesurant l’absorption de phonons dans le lointain IR. Le futur microscope EQUIPEX CHROMATEM pourra enfin permettre d’accéder, par analyse de perte d’énergie d’électrons, à des mesures de gap de faible largeur (tel qu'attendu) dans les nanostructures. Il permettra également la détermination du caractère direct ou indirect des gaps. Enfin, des mesures de photoluminescence seront menées pour compléter cette étude par l’analyse de l’alignement de bandes dans l’hétérostructure 3C/2H.
Nous déploierons diverses techniques complémentaires de caractérisations électriques, thermiques et thermoélectriques pour évaluer les propriétés de conductivités en relation avec les caractéristiques structurales des nanofils hétérostructurés. Pour les mesures thermoélectriques, un nouvel équipement sera implémenté sur l’AFM pour accéder à l’ensemble des paramètres thermoélectriques dont le coefficient Seebeck. Ce développement spécifique, nécessaire dans le cadre du projet HEXSIGE, répond à un besoin de l’ensemble de la communauté « thermoélectricité » et devrait être utile plus généralement à des applications nanoélectroniques.

Notre procédé original de transformation de phase dans les nanofils Si et Ge a ouvert dans notre laboratoire (C2N) un thème de recherche original et prometteur. Le projet HEXSIGE a l’ambition de promouvoir cette thématique à l’échelle nationale et de la développer rapidement pour conserver notre avance dans le domaine. La nouvelle hétérostructure 2H/3C synthétisée dans des nanofils offre évidemment de nouvelles fonctionnalités que le projet permettra d’identifier.