Nanocaractérisation et modélisation d’Antimoniures d’éléments III : Interfaces et Analyse des Déformations d’Epitaxie – NAIADE

NAIADE est un projet fondamental et interdisciplinaire qui s'applique à des nanostructures d’antimoniures d’éléments III pour la photonique moyen infra-rouge. La gamme spectrale couvrant les longueurs d’onde entre 2 et 5 µm est d’une particulière importance pour les applications basées sur la spectroscopie moléculaire, car elle présente plusieurs fenêtres de transparence de l'atmosphère et des raies très intenses d'absorption pour divers gaz dangereux ou industriels. Des composants performants sont à développer pour le contrôle de l’environnement, le diagnostic médical, la chirurgie par laser, les télécommunications directes dans l’atmosphère… Les semi-conducteurs à base d’antimoine, GaSb, InSb, et leurs alliages à petits gaps, sont bien adaptés à cette région spectrale, mais la croissance dans cette filière est loin d’être mature. L’objectif de NAIADE est de comprendre et maîtriser le rôle des interfaces sur l'état de contrainte dans des systèmes innovants en cours de développement: des boîtes quantiques (QDs) riches en antimoine et des puits très contraints InAs(Sb) sur substrat InP, ainsi que des lasers à cascade quantique (QCLs) à courte longueur d’onde InAs/AlSb.

Dans ces systèmes, les contraintes sont considérables (le misfit atteint 10% pour InSb sur InP) et l’influence des interfaces sur les propriétés est extrêmement forte. Dans les QCLs InAs/AlSb, en raison de l’absence d’atomes communs entre puits et barrière, la longueur de liaison aux interfaces peut varier de + ou – 7% selon les conditions de croissance choisies. Cette forte perturbation affecte la qualité cristalline et les propriétés électroniques, d’autant plus que chaque couche peut être aussi fine que quelques plans atomiques (1 à 2 nm).
Pour ces raisons la connaissance du champ de déformations à l’échelle atomique est essentielle. Notre ambition est de répondre aux questions de fond identifiées dans ce contexte : Quelles sont les propriétés élastiques d’une interface ? Peut-on modifier ces propriétés lors de la formation des interfaces ? La description continue (élasticité) est-elle pertinente pour des nano-objets aussi contraints ? Quel est l’impact des propriétés élastiques sur les propriétés optiques ou électroniques ?
Pour répondre à ces questions, NAIADE développera des outils spécifiques de nano-caractérisation et de modélisation adaptés à ces forts niveaux de déformation et à l’échelle atomique en jeu ici. L’épitaxie par jet moléculaire (MBE) permettra de contrôler la croissance au niveau atomique. Des techniques avancées (TEM, HREM, EELS, HAADF, HOLO DARK, RHEED…) seront combinées pour analyser la déformation et la composition à l'échelle nanométrique. Des microscopes électroniques en transmission à l’état de l’art seront utilisés. Nous développerons des modélisations à plusieurs échelles
- en élasticité linéaire des milieux continus par éléments finis (du nm au micron)
- à l’échelle nanoscopique (1-10 nm) avec des potentiels semi-empiriques
- à l’échelle atomique (quelques couches atomiques) par les premiers principes (DFT).
La modélisation sera un outil essentiel, d’abord pour valider les interprétations des expériences de microscopie électronique en transmission haute résolution. La modélisation apportera également des connaissances fondamentales sur les propriétés élastiques ; en particulier, la limite de validité de l’élasticité n’est pas encore établie dans ces systèmes. Les propriétés optiques ou électroniques seront analysées en considérant les couches d’interface et leurs déformations dans les calculs de structure de bande.

NAIADE associe trois partenaires très complémentaires : le CEMES (CNRS Toulouse) expert en analyse structurale (TEM, HREM...) et en modélisation ; l’IES (Université de Montpellier), leader international dans les lasers à base d’antimoniures d’éléments III pour l’émission dans le moyen infra-rouge ; et FOTON (INSA Rennes), expert dans la croissance de boîtes quantiques compatibles avec la technologie mature InP.