Les oxydes métalliques, souvent isolants à température ambiante, restent des matériaux mal connus car leur étude à l’aide des techniques classiques utilisant des particules chargées est difficile. Pourtant, ces matériaux sont couramment mis en ½uvre dans des secteurs innovants à haute valeur ajoutée : nanotechnologie, microélectronique (substrat pour Laser bleu, technologie de stockage magnétique à haute densité), catalyse et stockage longue durée de déchets. Pour toutes ces applications, la présence de défauts cristallins superficiels (lacunes, îlots d’atomes, marches, impuretés,…) peut affecter, sur une plus ou moins grande échelle, certaines propriétés physico-chimiques de la surface de ces oxydes. Durant cette thèse, nous avons étudié, par microscopie à force atomique (AFM), la cinétique de mise à l’équilibre de la surface (1-102) de saphir initialement très rugueuse. Cette rugosité, due à la préparation par polissage mécano-chimique de l’échantillon, se traduit par une grande densité de défauts. Après plusieurs recuits à l’air à différents temps et températures, nous avons analysé l’évolution morphologique superficielle et identifié deux régimes de cinétique. – Le premier régime est associé à des recuits isochrones (une heure) pour des températures allant de 973 K à 1173 K ou à des recuits isothermes (1173 K) pour des durées allant jusqu’à 53 heures. L’étude quantitative de l’évolution de l’aire et de la taille des îlots d’atomes permet de conclure qu’un processus de mûrissement d’Ostwald anisotrope régit leur évolution morphologique. Ce processus est contrôlé par la diffusion anisotrope sur les terrasses avec une énergie d’activation de 1.3 ± 0.1 eV. L’anisotropie des terrasses est aussi mise en évidence par la forme allongée des amas lacunaires induits par chauffage sous ultravide et observés par AFM sous vide. – Le second régime, étudié après la disparition des îlots, concerne la gamme de température supérieure (1273 K < T < 1473 K) ou à longue durée de recuit. La surface évolue vers son état d’équilibre où toutes les marches sont droites et équidistantes. Nous avons comparé les résultats expérimentaux à ceux obtenus avec un modèle théorique basé sur l’équation de Langevin et que nous avons validé par des simulations numériques. Avec cette démarche, nous montrons que le lissage des profils de marche est gouverné par l’émission d’atomes à partir du bord de marche. Les paramètres suivants : tension de ligne et constante de diffusion sont extraits de ces analyses. Par une étude en température, il devient possible d’aller au-delà et d’extraire de ces grandeurs l’énergie de cran élémentaire. C’est la première fois que de telles données sont obtenues pour une surface d’oxyde isolant complexe comme le saphir. Cette étude statistique originale de l’évolution morphologique d’une surface hors d’équilibre démontre qu’il est possible d’accéder, à partir d’images AFM de dimensions micrométriques, au processus de transport de matières et aux paramètres atomiques Notre approche montre qu’il est finalement remarquable de pouvoir analyser une évolution depuis une situation très éloignée de l’équilibre à l’aide du formalisme d’une équation de Langevin (initialement adaptée à un traitement des fluctuations dans une situation d’équilibre). Cette approche basée sur une analyse statistique de la position du bord de marche est généralisable à l’analyse de toutes surfaces de matériaux cristallins quelle que soit la rugosité initiale des bords de marches hors d’équilibre.
Lissage des marches atomiques de la surface (1-102) au cours d’un recuit prolongé à 1273 K.
IRAMIS-SPCSI