Certaines des substances les plus robustes sur Terre sont des cristaux, dans lesquels les atomes s'organisent en réseaux maintenus ensemble par des liaisons chimiques. Déformer un cristal est ainsi difficile sans rompre ces liaisons. Or ces ruptures entraînent, au niveau macroscopique, une dégradation des performances des matériaux, affectant par exemple la robustesse d’un pont, ou des propriétés plus subtiles, à l’échelle microscopique, comme les performances d'un laser ou d'une puce informatique, dans lesquels le trajet de la lumière ou du courant électrique s’en trouveraient perturbés. Les dispositifs nano-photoniques ou nano-électroniques comportent de nombreuses interfaces propices à la formation de tels défauts qu’il est crucial de savoir prévenir.

La variété des cristaux provient entre autres de la différence dans l’organisation des atomes, en particulier des distances entre eux, caractérisée par le paramètre de maille. Quand on crée artificiellement une jonction entre deux cristaux, une façon naturelle pour les matériaux de compenser cet écart consiste à comprimer et dilater leur maille cristalline à l'interface, créant ainsi une région mécaniquement contrainte, mais c'est aussi une façon d’introduire des défauts connus sous le nom de dislocations.

Après avoir développé des hétérostructures à nanofils InAs-on-GaAs sur silicium ^[1], des chercheurs de l’Irig, en collaboration avec l'Institut Néel, TU Eindhoven et le C2N, publient leur solution ^[2] pour créer une interface entre deux cristaux sans générer de dislocations. Ils y sont parvenus en utilisant dans un premier temps des nanofils semiconducteurs, qui sont des cristaux en forme de fil plus petits que le millième de l’épaisseur d'un cheveu humain. Étant donné le peu d’atomes dans la section d’un nanofil, il est plus facile de déformer le réseau cristallin. Ces nanofils poussent en forêt sur une plaquette de silicium. Deux matériaux différents peuvent être ainsi facilement combinés même si leurs paramètres de maille diffèrent énormément (de plusieurs pour cent). Néanmoins, une trop grande déformation mécanique ne serait pas recommandée non plus, car elle influencerait fortement les propriétés électroniques à l’interface. Fait remarquable, les chercheurs constatent que pour une interface répartie sur quelques nanomètres entre ces deux cristaux (formée par un alliage dont la composition varie graduellement d’un matériau à l’autre) ils obtiennent une réduction de la contrainte de plusieurs pour cent. Ils ont effectué une caractérisation chimique et structurelle de l'interface, en combinant la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie et la microscopie électronique à transmission à haute résolution. Ces résultats expérimentaux sont également comparés à des calculs par éléments finis. Ils confirment bien cette très forte réduction des contraintes mécaniques aux jonctions de deux semiconducteurs technologiquement importants : l’InAs et le GaAs.

Dans l'ensemble, ces travaux élargissent l'espace des paramètres pour la conception d'hétérostructures à nanofils, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour l'optoélectronique et la photonique intégrées sur silicium.


A. Superposition de 3 images d’un nanofil GaAs/InGaAs :
1. une image prise par microscopie électronique à transmission,
2. une image colorée montrant la déformation locale du paramètre de maille par la méthode d’analyse de phase géométrique et
3. une figure de moiré mettant en évidence les plans cristallins.
Le diamètre du nanofil est de 20 nm et la différence de paramètre de maille entre le GaAs et l'InGaAs est de près de 6 %. L'analyse de phase géométrique cartographie la distorsion des plans cristallins perpendiculaires à l’axe du fil. Dans le cas d'une croissance sans dislocations, la déformation élastique a principalement lieu sur les parois latérales du nanofil autour de l'interface, tandis que le cœur du nanofil reste partiellement contraint.