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Pentamères imbriqués de silicium : une organisation originale dans les nanorubans de Si/Ag(110)

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Dix ans après leur découverte, les nanorubans de silicium obtenus par épitaxie sur une surface (110) d’argent livrent enfin leur secret. à l’origine de l’engouement pour le silicène, ces nanorubans ont d’abord été présentés comme les analogues du graphène pour le silicium. En effet, des études théoriques ont montré qu’un arrangement hexagonal d’atomes de silicium possède des propriétés semblables à celles du graphène : forte mobilité des porteurs, présence de cônes de Dirac, effet Hall quantique de spin. Avec la possibilité d’un dopage contrôlé, cela en fait un matériau de choix pour la microélectronique du futur. Afin de lever des doutes concernant l’existence de cônes de Dirac pour les nanorubans, des chercheurs de l’INSP, de Marseille[1] et Rome[2] se sont penchés sur leur structure. En confrontant leurs résultats de diffraction de rayons X et de microscopie à effet tunnel à l’ensemble des modèles proposés, ils ont pu démontrer que le silicium était en fait organisé sous forme de pentamères imbriqués.

Les nanorubans de silicium s’obtiennent en évaporant, sous ultra-haut vide, du silicium sur une surface (110) d’argent. Si le substrat est à température ambiante, on obtient des rubans isolés, orientés selon l’axe [110], de largeur 0.8 nm et de longueur pouvant atteindre plusieurs centaines de nm[3]. Si le substrat est maintenu à 200°C pendant la croissance, les rubans deviennent doubles et s’organisent en un réseau régulier, de période 2 nm, comme on peut le voir sur la figure 1a[4].
Dans un premier temps, les observations par microscopie tunnel (STM) que nous avons réalisées in situ pendant la croissance ont permis de démontrer que la formation des nanorubans de silicium s’accompagne d’une reconstruction du substrat d’argent, signe d’une forte interaction entre les deux matériaux[5]. Celle-ci était plutôt inattendue, compte tenu qu’Ag et Si sont complètement immiscibles en volume. Des mesures de diffraction de rayons X en incidence rasante (GIXD) faites sur la ligne ID3 de l’ESRF montrent qu’il s’agit d’une reconstruction à rangées manquantes. Plus précisément, deux rangées atomiques d’Ag sur cinq sont manquantes sous les nanorubans. à la suite de nos travaux, différents modèles ont été proposés à partir de simulations numériques de type Density Functional Theory (DFT)[6, 7].
Nous avons alors pu passer au crible des observations expérimentales - images STM en haute résolution et mesures de GIXD - l’ensemble des modèles proposés. Pour chaque modèle, les positions atomiques ont été ainsi précisément déterminées par DFT, ce qui nous a permis de simuler non seulement les images STM, mais aussi les amplitudes diffractées (facteurs de structure). Un excellent accord est ainsi obtenu avec un modèle où les atomes de Si sont organisés sous forme de chaînes de pentamères imbriqués (voir Figures 1b et 2). C’est également le modèle qui est le plus stable thermodynamiquement dans une large gamme de potentiel chimique comme l’ont montré les simulations DFT.

  1. CINaM (Aix Marseille Univ, CNRS)
  2. CNR-Instituto di Struttura della Materia (Università di Roma)
  3. C. Leandri, G. L. Lay, B. Aufray, C. Girardeaux, J. Avila, M. E. Dávila, M. C. Asensio, C. Ottaviani, and A. Cricenti, Surf. Sci. 574, L9 (2005).
  4. H. Sahaf, L. Masson, C. Léandri, B. Aufray, G. Le Lay, and F. Ronci, Appl. Phys. Lett. 90, 263110 (2007).
  5. R. Bernard, T. Leoni, A. Wilson, T. Lelaidier, H. Sahaf, E. Moyen, L. Assaud, L. Santinacci, F. Leroy, F. Cheynis, A. Ranguis, H. Jamgotchian, C. Becker, Y. Borensztein, M. Hanbücken, G. Prévot, and L. Masson, Phys. Rev. B 88, 121411(R) (2013).
  6. C. Hogan, S. Colonna, R. Flammini, A. Cricenti, and F. Ronci, Phys. Rev. B 92, 115439 (2015).
  7. J. Cerdá et al., Nat. Comm. 7, 13076 (2016)

Nous avons alors pu passer au crible des observations expérimentales - images STM en haute résolution et mesures de GIXD - l’ensemble des modèles proposés. Pour chaque modèle, les positions atomiques ont été ainsi précisément déterminées par DFT, ce qui nous a permis de simuler non seulement les images STM, mais aussi les amplitudes diffractées (facteurs de structure). Un excellent accord est ainsi obtenu avec un modèle où les atomes de Si sont organisés sous forme de chaînes de pentamères imbriqués (voir Figures 1b et 2). C’est également le modèle qui est le plus stable thermodynamiquement dans une large gamme de potentiel chimique comme l’ont montré les simulations DFT.

JPEG Figure 1
a) Image STM de nanorubans de Si/Ag(110) (taille de l’image 62 x 62 nm2) obtenus à 200°C.
b) Modèle atomique et simulation STM correspondante. Les atomes d’Ag sont en gris, ceux de Si en vert.
JPEG Figure 2
Exemples de comparaison entre facteurs de structure expérimentaux (points bleus) et théoriques (courbes noires) à partir du modèle de pentamères présenté dans la figure 1b. Pour chaque figure, les trois indices (H, K, L) correspondent aux conditions de diffraction des points mesurés.

Ces travaux démontrent ainsi l’existence d’un nouveau type d’organisation pour le silicium épitaxié. La structure de bande observée en photoémission et ressemblant à un cône de Dirac ne peut être attribuée à une organisation hexagonale du silicium. Nos travaux offrent cependant des perspectives intéressantes pour la réalisation d’architectures hybrides basées sur la forte anisotropie géométrique des nanorubans et la réactivité des atomes de silicium.

Référence
« Si nanoribbons on Ag(110) studied by grazing incidence x-ray diffraction, scanning tunneling microscopy, and density-functional theory : evidence of a pentamer chain structure »
G. Prévot, C. Hogan, T. Leoni, R. Bernard, E. Moyen, L. Masson
Phys. Rev. Lett. 117, 276102 (2016)

Contacts
Geoffroy Prévot
Romain Bernard