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L'épitaxie par jets moléculaires (ou MBE pour Molecular Beam Epitaxy) est une technique consistant à envoyer un ou plusieurs jets moléculaires vers un substrat préalablement choisi pour réaliser une croissance épitaxiale. Elle permet de faire croître des échantillons nanostructurés de plusieurs cm² à une vitesse d'environ une monocouche atomique par seconde.

Le bâti d'une MBE

Il est formé de deux parties essentielles :

Un sas d’introduction équipé d’une pompe turbomoléculaire ;
Une chambre de préparation qui contient :

a) Un canon permettant le bombardement ionique des surfaces (ions Ar⁺ d’énergie comprise entre 1 et 8 keV) ;

b) Un four permettant un chauffage jusqu'à 1 800 °C en combinant l’effet Joule jusqu'à 500 °C et le bombardement électronique au-dessus ;

c) Un thermocouple et/ou un thermomètre infrarouge pour mesurer la température durant la croissance ;

d) Une vanne de micro-fuite pour y introduire du gaz.

Conditions de Knudsen

L'opérateur désire presque toujours réaliser la croissance de matériaux solides à température ambiante.

Il place pour cela les matériaux dans des creusets de PNB (nitrure de bore pyrolitique, stable et peu réactif jusqu'à 2000K) situés au sein d'une cellule de Knudsen.

La température d'évaporation doit être précisément contrôlée car elle détermine le flux moléculaire arrivant sur l'échantillon. La croissance des matériaux doit être relativement lente, afin d'éviter que des molécules évaporées réagissent avec d'autres avant d'avoir atteint le substrat. L'opérateur s'assure que le libre parcours ( $\lambda$ ) moyen soit supérieur à la distance séparant la cellule de Knudsen au substrat. En pratique on fait en sorte que $\lambda$ soit supérieur à 1 mètre. Si ces conditions sont observées on peut alors parler de « jets moléculaires ».

On peut montrer^[1] que $\lambda ={\frac {1}{{\sqrt {2}}\pi \sigma ^{2}n}}$

où

$\sigma$ est la distance à partir de laquelle on considère que les molécules sont en collision (on suppose les molécules sphériques de rayon $\sigma$ , typiquement de quelques Ångström)
$n$ est la densité d'atomes (atomes/m³)

Or la densité volumique d'atomes est directement proportionnelle à la pression ( $p$ ) et à la température ( $T$ ) selon $p=nkT$ ^[2] où $k$ est la constante de Boltzmann.

Avantages et inconvénients d'une croissance lente

Les cellules de Knudsen possèdent des obturateurs permettant de contrôler la croissance. Les temps de fermeture de ces obturateurs est généralement inférieur à la seconde, et donc généralement inférieur au temps nécessaire à la création d'une monocouche. Une croissance lente permet d'obtenir de nettes hétérojonctions dans le cadre de matériaux multicouches.

Elle permet aussi de contrôler un dopage homogène du matériau.

Elle permet aussi des mesures en temps réel, durant les croissances (voir point suivant).

Cependant, une faible vitesse de croissance implique une atmosphère très pure, sinon des impuretés contamineront l'échantillon de manière non négligeable. Plusieurs systèmes de pompage conservent donc une pression résiduelle inférieure à 10⁻⁸ Pa.

La MBE permet aussi de contrôler in situ les conditions de croissance grâce à la diffraction d’électrons à haute énergie en incidence rasante (RHEED). Les diagrammes de diffraction donnent en direct des informations sur l’état de la surface, particulièrement sur les reconstructions.

Mesures en temps réel

Les mesures en temps réel les plus rencontrées en MBE sont :

la mesure de pression résiduelle à l'aide d'une sonde de type Bayard-Alpert ;
Une sonde similaire peut être placée au-dessus de la cellule d'évaporation (la mesure doit alors se faire uniquement avant la croissance) ;
la composition des gaz résiduels ; établie par la spectrométrie de masse par quadrupôle (QMS) ;
la température du substrat, grâce à un pyromètre optique détectant les radiations infrarouges. Cela permet aussi d'évaluer l'épaisseur de la couche en croissance ;
l'évolution dimensionnelle et cristalline de la croissance, mesurée grâce au RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction : diffraction d'électrons de haute énergie).

La surface : un équilibre dynamique

La croissance de la surface est un procédé dynamique (non statique). Une molécule atteignant la surface n'y reste pas simplement collée. Typiquement, les molécules vont diffuser grâce à leur énergie thermique puis apparait un phénomène de nucléation : des atomes se rencontrent et s'assemblent ; leur mobilité diminue. D'autres molécules vont pouvoir s'adjoindre, on parle alors d'agrégation. Globalement ces agrégats se déplacent peu mais leur bords sont très mobiles (phénomène désigné par la « diffusion de bord ».

Par ailleurs, l'énergie thermique des molécules peut être telle qu'elles quittent l'échantillon : il y a « désorption ».

Enfin, certains agrégats peuvent se séparer, il s'agit alors d'une dissociation.

Utilisations

De nombreux matériaux sont aujourd'hui produits par épitaxie.

C'est le cas notamment de certains composants électroniques ou de cellules photovoltaïques^[3]

Notes et références

↑ « Travail scientifique, page 102, sur le site Hypo-theses.com »
↑ « Travail scientifique, page 103, sur le site Hypo-theses.com »
↑ Katsumoto, S., Yamamoto A & Yamaguchi M (1985) In0. 14Ga0. 86As solar cells grown by molecular-beam epitaxy. Japanese journal of applied physics, 24(5), 636-637 (résumé).

Annexes

Articles connexes

Liens externes

http://www.crystalxe.com CrystalXE: A specialized software in epitaxy

Bibliographie

Abdelkafi Y (2009) Modélisation et simulation de l’épitaxie par jets moléculaires. Mémoire de magister.
Arnoult A (1998) http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/04/52/96/PDF/tel-00002701.pdf Dopage par modulation d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI semimagnétiques en épitaxie par jets moléculaires] (Doctoral dissertation, Université Joseph-Fourier-Grenoble I) 1998-12-01, PDF, 252 pp
Arthur JR (2002) Surface Science 500, 189
Elkinani I & Villain J (1993) Le paradoxe de zenon d'elee Solid state communications, 87(2), 105-108 (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/003810989390335K résumé]).

[1] « Travail scientifique, page 102, sur le site Hypo-theses.com »

[2] « Travail scientifique, page 103, sur le site Hypo-theses.com »

[3] Katsumoto, S., Yamamoto A & Yamaguchi M (1985) In0. 14Ga0. 86As solar cells grown by molecular-beam epitaxy. Japanese journal of applied physics, 24(5), 636-637 (résumé).

[1]

[2]

[3]

@@ Ligne 1 : / Ligne 1 : @@
-[[Image:Molecular-beam epitaxy system at LAAS 0509.jpg|thumb|300px|Système d'épitaxie par jets moléculaires au [[laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes]] à Toulouse (France)]]
+[[Fichier:Molecular-beam epitaxy 412 RIBER system at LAAS-CNRS.jpg|vignette|339x339px|Système d'épitaxie par jets moléculaires au [[laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes]] à Toulouse (France)]]
-L''''épitaxie par jets moléculaires''' (ou MBE pour ''Molecular Beam Epitaxy'') est une technique consistant à envoyer un ou plusieurs jets moléculaires vers un substrat préalablement choisi pour réaliser une croissance [[épitaxie|épitaxiale]]. Elle permet de faire croître des échantillons nanostructurés de plusieurs cm<sup>2</sup> à une vitesse d'environ une monocouche atomique par seconde.
+L''''épitaxie par jets moléculaires''' (ou MBE pour ''Molecular Beam Epitaxy'') est une technique consistant à envoyer un ou plusieurs jets moléculaires vers un substrat préalablement choisi pour réaliser une croissance [[épitaxie|épitaxiale]].
+Elle permet de faire croître des échantillons nanostructurés de plusieurs {{nb|cm2}} à une vitesse d'environ une monocouche atomique par seconde.
+== Le bâti d'une MBE ==
-==Conditions de Knudsen==
+Il est formé de deux parties essentielles :
-Dans la majeur partie des cas, on désire réaliser la croissance de matériaux solides à température ambiante. On place ces matériaux dans des creusets situés au sein d'une cellule de Knudsen. Ces creusets sont réalisés en PNB (nitrure de bore pyrolitique, stable et peu réactif jusqu'à 2000K). La température d'évaporation est une variable essentielle à contrôler car elle va déterminer le flux moléculaire arrivant sur l'échantillon.
+# Un sas d’introduction équipé d’une [[pompe turbomoléculaire]] ;
-La croissance des matériaux est relativement lente. En effet, il ne faut pas que des molécules évaporées réagissent avec d'autres avant d'avoir atteint le substrat. On s'arrangera pour que le libre parcours (<math>\lambda</math>) moyen soit supérieur à la distance séparant la cellule de Knudsen au substrat. En pratique on fait en sorte que <math>\lambda</math> soit supérieur à 1mètre. Si ces conditions sont observées on peut alors parler de jets moléculaires.
+# Une chambre de préparation qui contient :
+:: a) Un canon permettant le [[bombardement ionique]] des surfaces (ions Ar<sup>+</sup> d’énergie comprise entre {{nb|1 et 8 keV}}) ;
+:: b) Un four permettant un chauffage jusqu'à {{nb|1800 °C}} en combinant l’[[effet Joule]] jusqu'à {{nb|500 °C}} et le bombardement électronique au-dessus ;
+:: c) Un [[thermocouple]] et/ou un [[thermomètre infrarouge]] pour mesurer la température durant la croissance ;
+:: d) Une vanne de micro-fuite pour y introduire du gaz.
+== Conditions de Knudsen ==
-On peut montrer<ref>{{lien web|url=http://fr.hypo-theses.com/travaux-info~id(21).html|titre=Travail scientifique, page 102, sur le site Hypo-theses.com}}</ref> que <math>\lambda = \frac{1}{\sqrt{2} \pi \sigma^2 n}</math> où
+L'opérateur désire presque toujours réaliser la croissance de matériaux solides à température ambiante.
+Il place pour cela les matériaux dans des creusets de PNB ([[nitrure de bore]] pyrolitique, stable et peu réactif jusqu'à 2000K)  situés au sein d'une [https://avs.scitation.org/doi/pdf/10.1116/6.0000763 cellule de Knudsen.]
+La température d'évaporation doit être précisément contrôlée car elle détermine le flux moléculaire arrivant sur l'échantillon.
+La croissance des matériaux doit être relativement lente, afin d'éviter que des molécules évaporées réagissent avec d'autres avant d'avoir atteint le substrat. L'opérateur s'assure que le libre parcours (<math>\lambda</math>) moyen soit supérieur à la distance séparant la cellule de Knudsen au substrat. En pratique on fait en sorte que <math>\lambda</math> soit supérieur à {{unité|1|mètre}}. Si ces conditions sont observées on peut alors parler de « jets moléculaires ».
+On peut montrer<ref>{{lien web|url=http://fr.hypo-theses.com/travaux-info~id(21).html|titre=Travail scientifique, page 102, sur le site Hypo-theses.com}}</ref> que <math>\lambda = \frac{1}{\sqrt{2} \pi \sigma^2 n}</math>
+où
 * <math>\sigma</math> est la distance à partir de laquelle on considère que les molécules sont en collision (on suppose les molécules sphériques de rayon <math>\sigma</math>, typiquement de quelques [[Angstrom|Ångström]])
-* <math>n</math> est la densité d'atomes (atomes/m<sup>3</sup>)
+* <math>n</math> est la densité d'atomes ({{nb|atomes/m3}})
-Or la densité volumique d'atomes est directement proportionnelle à la pression (<math>p</math>) et à la température (<math>T</math>) selon <math>p=nkT</math><ref>{{lien web|url=http://fr.hypo-theses.com/travaux-info~id(21).html|titre=Travail scientifique, page 103, sur le site Hypo-theses.com}}</ref> où <math>k</math> est la [[constante_de_Boltzmann|constante de Boltzmann]].
+Or la [[densité volumique]] d'atomes est directement proportionnelle à la pression (<math>p</math>) et à la température (<math>T</math>) selon <math>p=nkT</math><ref>{{lien web|url=http://fr.hypo-theses.com/travaux-info~id(21).html|titre=Travail scientifique, page 103, sur le site Hypo-theses.com}}</ref> où <math>k</math> est la [[constante de Boltzmann]].
-==Avantages et inconvénients d'une croissance lente==
+== Avantages et inconvénients d'une croissance lente ==
-Il faut savoir que les cellules de Knudsen possèdent aussi des obturateurs permettant de contrôler la croissance. Les temps de fermeture de ces obturateurs est généralement inférieur à la seconde, et donc généralement inférieur au temps nécessaire à la création d'une monocouche. L'avantage de cette croissance lente est donc de pouvoir obtenir des nettes hétérojonctions dans le cadre de matériaux multicouches. Une croissance lente permet aussi de contrôler un dopage homogène du matériau. Un autre gros avantage c'est les mesures en temps réel qu'on peut effectuer pendant les croissances ([[Épitaxie par jet moléculaire#La surface : un équilibre dynamique|voir point suivant]]).
+Les cellules de Knudsen possèdent des obturateurs permettant de contrôler la croissance. Les temps de fermeture de ces obturateurs est généralement inférieur à la seconde, et donc généralement inférieur au temps nécessaire à la création d'une monocouche.
+Une croissance lente permet d'obtenir de nettes hétérojonctions dans le cadre de matériaux multicouches.
-Cependant, une faible vitesse de croissance implique une atmosphère très pure sans quoi les impuretés viendraient contaminer l'échantillon de manière non négligeable. Pour cela il convient d'utiliser plusieurs systèmes de pompage afin de se trouver sous une pression résiduelle inférieure à 10<sup>-8</sup> [[Pascal (unité)|Pa]].
+Elle permet aussi de contrôler un dopage homogène du matériau.
-==Mesures en temps réel==
-Les mesures en temps réel les plus rencontrées en MBE sont
-* La mesure de pression résiduelle à l'aide d'une sonde de type Bayard-Alpert
-* Une sonde similaire pouvant être placée au-dessus de la cellule d'évaporation (cette mesure doit bien évidemment se faire uniquement avant la croissance)
-* On peut déterminer la composition des gaz résiduels grâce à la spectrométrie de masse par quadrupôle (QMS)
-* Détermination de la température du substrat grâce à un pyromètre optique détectant les radiations infrarouges. Cela permet aussi de connaître l'épaisseur de la couche en croissance.
-* Mais surtout on peut analyser l'évolution dimensionnelle et cristalline de  la croissance grâce au RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction : diffraction d'électrons de haute énergie)
-==La surface : un équilibre dynamique==
+Elle permet aussi des mesures en temps réel, durant les croissances ([[#La surface : un équilibre dynamique|voir point suivant]]).
-Il faut savoir que la croissance de la surface est un procédé dynamique et non pas statique. En effet, lorsqu'une molécule atteint la surface, elle n'y reste pas simplement collée. Typiquement les molécules vont diffuser grâce à leur énergie thermique. De là, il y aura de la nucléation : des atomes vont se rencontrer, s'assembler et leur mobilité va diminuer. D'autres molécules vont pouvoir s'adjoindre, on parle alors d'agrégation. Globalement ces agrégats se déplacent peu. Cependant, leur bords sont très mobiles, c'est ce qu'on désigne par la "diffusion de bord". A côté de cela, l'énergie thermique des molécules peut être telle qu'elles quittent l'échantillon : c'est ce qu'on nomme la désorption. Enfin, certains agrégats peuvent se séparer, il s'agit alors d'une dissociation.
+Cependant, une faible vitesse de croissance implique une atmosphère très pure, sinon des impuretés contamineront l'échantillon de manière non négligeable. Plusieurs systèmes de pompage conservent donc une pression résiduelle inférieure à {{nb|e=-8|[[Pascal (unité)|Pa]]}}.
+La MBE permet aussi de contrôler ''in situ'' les conditions de croissance grâce à la diffraction d’électrons à haute énergie en incidence rasante (RHEED). Les diagrammes de diffraction donnent en direct des informations sur l’état de la surface, particulièrement sur les reconstructions.
+== Mesures en temps réel ==
+Les mesures en temps réel les plus rencontrées en MBE sont :
+* la mesure de pression résiduelle à l'aide d'une sonde de type Bayard-Alpert ;<br />Une sonde similaire peut être placée au-dessus de la cellule d'évaporation (la mesure doit alors se faire uniquement avant la croissance) ;
+* la composition des gaz résiduels ; établie par la [[Spectrométrie de masse#Analyseur quadripolaire|spectrométrie de masse par quadrupôle]] (QMS) ;
+* la température du substrat, grâce à un pyromètre optique détectant les [[Rayonnement|radiations infrarouges]]. Cela permet aussi d'évaluer l'épaisseur de la couche en croissance ;
+* l'évolution dimensionnelle et cristalline de la croissance, mesurée grâce au [[RHEED]] (''Reflection High Energy Electron Diffraction'' : diffraction d'électrons de haute énergie).
+== La surface : un équilibre dynamique ==
+La croissance de la surface est un procédé dynamique (non statique). Une [[molécule]] atteignant la surface n'y reste pas simplement collée. Typiquement, les molécules vont diffuser grâce à leur [[énergie thermique]] puis apparait un phénomène de [[nucléation]] : des atomes se rencontrent et s'assemblent ; leur mobilité diminue. D'autres molécules vont pouvoir s'adjoindre, on parle alors d'agrégation. Globalement ces agrégats se déplacent peu mais leur bords sont très mobiles (phénomène désigné par la « diffusion de bord ».
+Par ailleurs, l'énergie thermique des molécules peut être telle qu'elles quittent l'échantillon : il y a « [[désorption]] ».
+Enfin, certains agrégats peuvent se séparer, il s'agit alors d'une dissociation.
+== Utilisations ==
+De nombreux matériaux sont aujourd'hui produits par épitaxie.
+C'est le cas notamment de certains [[Composant électronique|composants électroniques]] ou de [[Cellule photovoltaïque|cellules photovoltaïques]]<ref>Katsumoto, S., Yamamoto A & Yamaguchi M (1985) ''In0. 14Ga0. 86As solar cells grown by molecular-beam epitaxy''. Japanese journal of applied physics, 24(5), 636-637 ([http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=8579336 résumé]).</ref>
 == Notes et références ==
+{{Références}}
-<references/>
-== Voir aussi ==
+== Annexes ==
 === Articles connexes ===
+{{Début de colonnes|nombre=3}}
-* J.R. Arthur, ''Surface Science'' '''500''', 189 (2002)
+* [[épitaxie]]
-=== Liens et documents externes ===
+* [[migration brownienne]]
-* [http://fr.hypo-theses.com/w_up_fr~user1_memoire_LANGUY_Fabian.pdf Mémoire de physique sur l'InGaN] (3820ko) avec le chapitre 2 consacré à la MBE et le point 3.1 consacré au RHEED
+* [[Cristallogenèse]]
-{{Portail|chimie|physique}}
+* [[Otto Stern]]
+* [[Texture (cristallographie)]]
+{{Fin de colonnes}}
+=== Liens externes ===
+* http://www.crystalxe.com CrystalXE: A specialized software in epitaxy
+=== Bibliographie ===
+* Abdelkafi Y (2009) ''Modélisation et simulation de l’épitaxie par jets moléculaires''. Mémoire de magister.
+* Arnoult A (1998) ''http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/04/52/96/PDF/tel-00002701.pdf Dopage par modulation d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI semimagnétiques en épitaxie par jets moléculaires]'' (Doctoral dissertation, Université Joseph-Fourier-Grenoble I) 1998-12-01, PDF, 252 pp
+* Arthur JR (2002) ''Surface Science'' '''500''', 189
+* Elkinani I & Villain J (1993) ''Le paradoxe de zenon d'elee'' Solid state communications, 87(2), 105-108 (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/003810989390335K résumé]).
+{{Palette|Revêtement de surface}}
-[[Catégorie:Cristallogénèse|Epitaxie par jet moléculaire]]
+{{Portail|chimie|physique|matériaux}}
-[[Catégorie:Physico-chimie des interfaces|Epitaxie par jet moléculaire]]
+{{DEFAULTSORT:Epitaxie par jet moleculaire}}
-[[cs:Epitaxe z molekulárních svazků (MBE)]]
+[[Catégorie:Dépôt sous vide de couches minces]]
-[[de:Molekularstrahlepitaxie]]
+[[Catégorie:Cristallogenèse]]
-[[en:Molecular beam epitaxy]]
+[[Catégorie:Physico-chimie des interfaces]]
-[[it:Epitassia da fasci molecolari]]
+[[Catégorie:Fabrication de semi-conducteur]]
-[[ja:分子線エピタキシー法]]
-[[pl:Epitaksja z wiązek molekularnych]]
-[[ru:Молекулярно-пучковая эпитаксия]]
-[[vi:Epitaxy chùm phân tử]]