L’emploi d’instabilités cinétiques de croissance constitue un moyen élégant de structuration des surfaces à des échelles de l’ordre du nanomètre. Ces dernières années, nous avons étudié la mise en œuvre et l’étude de tels phénomènes d’auto-organisation dans le cas de la croissance par homoépitaxie de surfaces à marches de cuivre, surfaces dites vicinales
Cu(1 1 n), n = 9, 17.
Une surface vicinale se présente sous la forme d’un escalier régulier de marches droites de hauteur monoatomique. De telles surfaces sont obtenues par légère désorientation relativement à un plan dense, en l’occurrence le plan Cu(100) (8,9° pour Cu(1 1 9), 4.8° pour Cu(1 1 17)). Ces surfaces sont présumées constituer des modèles théoriques simples pour les études de croissance par homoépitaxie. Sous flux, les atomes déposés sont directement incorporés aux fronts de marche, aucun événement de nucléation ne se produit sur les terrasses et l’ensemble du train de marches est présumé croître dans un mode dit d’écoulement stable de marches.
Le suivi, par microscopie tunnel, de la dynamique de croissance de surfaces vicinales révèle une physique autrement plus riche.
À basse température, la croissance par écoulement de marches s’accompagne d’une modulation collective (dans le plan) des fronts de marche suivant une longueur d’onde spécifique. Ces modulations sont le produit d’une instabilité de méandre. L’apparition de ces oscillations s’interprète notamment par la prise en compte d’une barrière énergétique associée au franchissement des bords de marche, barrière à l’origine d’un déséquilibre entre les flux d’adatomes incorporés de part et d’autre d’un front de marche (barrière de Ehrlich-Schwöbel).
Cu(1 1 9). Microscopie tunnel (170 nm)²
À plus haute température, l’instabilité transverse de méandre fait place à une nouvelle instabilité dite de mise en paquets des bords de marche. Celle-ci se manifeste, dans la direction d’avance du train, par le regroupement des bords de marche et l’apparition concomitante de larges facettes de sorte à maintenir l’orientation cristallographique moyenne de la surface (facettage cinétique). L’étude quantitative, par microscopie tunnel, de cette dernière instabilité met en avant le rôle majeur joué par la diffusion des atomes le long d’une marche méandrée.
Références :
- From meandering to faceting, is step flow growth ever stable ?
N. Néel, T. Maroutian, L. Douillard, H.-J. Ernst, Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 226103 - Spontaneous structural pattern formation at the nanometre scale in kinetically restricted homoepitaxy on vicinal surfaces.
N. Néel, T. Maroutian, L. Douillard, H.-J. Ernst, J. Phys. : Condensed Matter 15 (2003) S3227 – Article de revue. - Voir la présentation de Ludovic Douillard associée.
Contacts : H.-J. Ernst, L. Douillard (DRECAM/SPCSI).