Hydrogen effect modelling of the morphogenesis of hydrogenated silicon nanostructures in a plasma reactor.
Modélisation des effets de l'hydrogène sur la morphogenèse des nanostructures de silicium hydrogéné dans un réacteur plasma.
Résumé
This work pursues the goal of understanding mechanisms related to the morphogenesis of hydrogenated silicon nanostructures in an plasma reactor through modeling techniques. Current technologies are first reviewed with an aim to understand the purpose behind their development. Then follows a summary of the possible studies which are useful in this particular context. The various techniques which make it possible to simulate the trajectories of atoms by molecular dynamics are discussed. The quantum methods of calculation of the interaction potential between chemical species are then developed, reaching the conclusion that only semi-empirical quantum methods are sufficiently fast to be able to implement an algorithm of quantum molecular dynamics on a reasonable timescale. From the tools introduced, a reflection on the nature of molecular metastable energetical states is presented for the theoretical case of the self-organized growth of a linear chain of atoms. This model - which consists of propagating the growth of a chain by the successive addition of the atom which least increases the electronic energy of the chain - shows that the Fermi level is a parameter essential to selforganization during growth. This model also shows that the structure formed is not necessarily a total minimum energy structure. From all these numerical tools, the molecular growth of clusters can be simulated by using parameters from magnetohydrodynamic calculation results of plasma reactor modeling (concentrations of the species, interval between chemical reactions, energy of impact of the reagents...). The formation of silicon-hydrogen clusters is thus simulated by the successive capture of silane molecules. The structures formed in simulation at the operating temperatures of the plasma reactor predict the formation of spherical clusters constituting an amorphous silicon core covered by hydrogen. These structures are thus not in a state of minimum energy, contrary to certain experimental results. However, these results were obtained without taking into account the presence of atomic hydrogen in the plasma. A thorough study of the effect of atomic hydrogen on the metastable structures produced in simulation is thus carried out. The study of the interaction of atomic hydrogen on the surface of the cluster gives the possibility of finding the proportion of mechanisms (Eley-Rideal hydrogen desorption, hot atom mecanism or absorption on the surface of the cluster) in agreement with experiments on recombination on silicon surfaces. The interaction of atomic hydrogen with the surface of the clusters also induces a modification of the internal organization of the silicon atoms. The organization of the internal silicon atoms of the clusters as a function of cluster size (magic number) makes it possible to understand why the experimental observations indicate the presence of crystalline structures. Finally this study leads to the prediction of a particularly stable structure which could be used as precursor for the growth of silicon nanowires.
Cet ouvrage s'inscrit dans le but de comprendre les mécanismes liés à la morphogenèse des nanostructures de silicium hydrogéné dans un réacteur plasma par des techniques de modélisation. Dans un premier temps les technologies actuelles sont passées en revue afin de répondre aux attentes actuelles qui leurs sont propres. Vient ensuite un rappel des possibilités d'étude qui sont utilisables dans ce contexte particulier. Les différentes techniques qui permettent de simuler les trajectoires des atomes par dynamique moléculaire sont rappelées. Les méthodes quantiques de calcul de potentiel d'interaction entre les espèces chimiques sont ensuite développées pour conclure que seules des méthodes quantiques semi-empiriques sont suffisament rapides pour pouvoir implémenter un algorithme de dynamique moléculaire quantique sur des échelles de temps raisonnables. A partir des outils introduits, une réfléxion sur la nature des états moléculaires énergétiquement métastables est présentée sur un cas théorique de croissance autoorganise d'une chaîne linéaire d'atomes. Ce modèle qui consiste à faire croître une chaîne par l'ajout successif de l'atome qui augmente le moins l'énergie électronique de la chaîne montre que le niveau de Fermi est un paramètre essentiel à l'autoorganisation de la croissance. Ce modèle montre aussi que la structure formée n'est pas forcément une structure de minimum global d'énergie. A partir de tous ces outils numériques, la croissance d'agrégats moléculaire peut être simulée en utilisant comme paramètres les données issues de calculs de magnétohydrodynamique des conditions reignant au sein des réacteurs plasma ( concentrations des espèces, intervalle de temps entre les réactions chimiques, énergie d'impact des réactifs ...). La formation d'agrégats de silicium hydrogéné est ainsi simulée par captures successives de molécules de silane. Les structures formées en simulation aux températures de fonctionnement des réacteurs plasma prédisent la formation d'agrégats sphériques constitués d'un coeur de silicium amorphe recouvert par de l'hydrogène. Ces structures ne sont donc pas dans un état de minimum d'énergie contrairement à certains résultats expérimentaux. Ces résultats ont cependant été obtenus sans la prise en compte de la présense d'hydrogène atomique dans le plasma. Une étude approfondie de l'effet de l'hydrogène atomique sur les structures métastables produites en simulation est donc effectuée. L'étude de l'interaction de l'hydrogène atomique sur la surface de l'agrégat permet de trouver des proportions de mécanismes (désorption d'hydrogène de type Eley-Rideal, atome chaud ou absorption sur la surface de l'agrégat) en accord avec des experiences de recombinaison sur des surfaces de silicium. Les interactions de l'hydrogène atomique avec la surface des agrégats induisent aussi une modification de l'organisation interne des atomes de silicium. L'organisation des atomes de silicium interne à agrégats en fonction de la taille de l'agrégat (nombre magique) permet de comprendre pourquoi les observations expérimentales indiquent la présence de structures cristallines. Enfin cette étude mène à la prédiction d'une structure particulièrement stable qui pourrait servir de germe de croissance pour les nanofils de silicium.
Domaines
Physique [physics]
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