Diapositive 1

1
Christine ROBERT-GOUMET
Habilitation à Diriger des Recherches
LEPES  méthode danalyse de surfaces
expériences et modélisations
Etude de lhétérostructure InN/InP(100) par
spectroscopies électroniques
Pr. A. Dubus Faculté des Sciences appliquées de
Bruxelles Pr. G. Lelay Université de Provence,
Marseille Pr. B. Gruzza Université
Blaise-Pascal, Clermont-Fd Dr. G. Gergely
Académie des Sciences de Hongrie, Budapest Pr. V.
Matolin Université Charles, Prague Pr. L.
Bideux Université Blaise-Pascal, Clermont-Fd
2
Lenseignement
Enseignante au département de Physique de lUBP
Activités denseignement

• Ecole dingénieur PolytechClermont 
• - 2ème année Microscopies Electroniques
• - 3ème année Spectroscopies Electroniques

• M2R - Master mention STIC
• Caractérisations avancées des solides
• M2P - Master Professionnel IUP GSI 
• - Microscopies électroniques (MEB et MET)

• M1- Master mention physique parcours matériaux
• - Microscopies électroniques
• - Diffraction des rayons X par les matériaux

• L1-L3 - Licence Physique et Ingénieries et CP2I
• - Mécanique du point
• - Optique géométrique
• - Electrostatique, Electrocinétique
• - Mécanique des Fluides / des Vibrations
• - Chocs et Vibrations, Transferts thermiques

3
Lenseignement
Enseignante au département de Physique de lUBP
Responsabilités administratives
Membre du conseil du département Vice-présidente
et trésorière (2002-2006) Commission des finances
(UFR)
Conseil du département Commission des études
(UFR)
2002
2003
2004
2006
2007
2008
2005
2001
1998
Directrice des Etudes de Première Année (DEPA)
Coordinatrice de la Classe Préparatoire Intégrée
CHIM.I.ST
4
La recherche
Lenseignement
Chercheur au LASMEA
Responsabilités administratives
Commission de spécialistes 28 (UBP) Assesseur
Commission de spécialistes 28 (UBP)
Commission de spécialistes 28 (UBP) et 28-61-63
(UA)
2002
2003
2004
2006
2007
2008
2005
2001
1998
Conseil de laboratoire (LASMEA)
5
La recherche
Lenseignement
Chercheur au LASMEA
Activités de recherche

• Développement des méthodes danalyse par
  spectroscopies électroniques  EPES et MM-EPES

• Elaboration de couches ultra-minces de nitrure
  dindium sous ultra-vide. Caractérisations
  in-situ par spectroscopies électroniques (AES,
  EPES, XPS)

6
La recherche
Lenseignement
B. ZEFACK
N. DALLE
R. DJONDANG

• Mes encadrements de stages

S. ARABASZ

• Mes encadrements de thèses

Samir CHELDA
P. IROCZ
Sana Ben KHALIFA
Matthieu PETIT
Radek KAPSA
ATER 28ème
MCF 28ème
UBP
UBP
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
2004 2005 2006 2007 2008 2009
Soutenance Thèse
Recrutement
7
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement
Partie 1. Interactions élastiques des électrons
avec la matière - Développement des méthodes
danalyse par spectroscopies électroniques  EPES
et MM-EPES.
Contexte de létude

• Interprétation quantitative de nombreuses
  méthodes d'analyse
• Paramètre fondamental li
• Obtention
• Utilisation de mesures optiques
• Calculs théoriques
• Utilisation du nombre d'électrons élastiques
  réfléchis par les matériaux

• Suivi in-situ de la formation dinterfaces
  complexes
• LEPES méthode adaptée sensible à la surface
  des matériaux

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l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement
Spectroscopie de rétrodiffusion élastique des
électrons EPES

• Méthode expérimentale mesure de lintensité
  élastique he Ie/Ip

• Simulation Monte Carlo description du
  cheminement des électrons élastiques dans la
  matière he(MC)

• Comparaison expériences/simulations

Détermination du libre parcours moyen inélastique
des électrons li
Etude dhétérostructures complexes
9
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement
Simulation du parcours des électrons élastiques
dans le matériau par méthode de Monte-Carlo.

• Détermination des libres parcours des électrons

Formule de Bauer1
sT  section différentielle totale de diffusion
élastique
NA  densité des atomes/cm3
Formule de TPP-2M2
Nv  nombre délectrons de valence par atome ou
molécule r densité volumique Eg  gap du
matériau M  poids atomique ou moléculaire
Loi de Poisson
1 E. Bauer, J. Vac. Sci. Technol. 7 (1970) 3
2 S. Tanuma, C.J. Powell, D.R. Penn, Surf.
Interf. Anal. 21 (1994) 165
10
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement

• Nature de linteraction

Parcours de lélectron stoppé

• Interaction inélastique li lt le

• Interaction élastique li gt le

Calcul des angles de diffusion (q,j)

• Détermination des angles de diffusion ( q,j )

j angle azimutal
Distribution statistique uniforme sur 0,2p
q angle de diffusion élastique
Loi dont la fonction densité de probabilité est
f(q)
11
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement

• Repérage de lélectron coordonnées de lélectron

Au début de la simulation 0, qa, j0
A la nième collision élastique r, qn, jn
12
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement

• Influence de la structure du matériau

• Dans la plupart des modèles développés dans la
  littérature
• le solide un milieu homogène semi-infini

• Approche différente
• Description du matériau couches par couches

Modèle AAA
Modèle ABAB
Modèle AAB
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l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement

• Importance de lacceptance de lanalyseur

Nél nombre délectrons réfléchis élastiquement
et rentrant dans lanalyseur
N nombre total délectrons ayant permis de
réaliser la simulation  (1 000 000 délectrons)
Energie primaire des électrons incidents
a angle dincidence des électrons primaires
qout et jout angles démission des électrons
élastiques
Différents types danalyseurs
- RFA
Définition de la fenêtre de collection de chaque
analyseur
- HSA tournant
- CMA
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l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement
Résultats de la simulation Monte-Carlo.

• Distribution angulaire
• Représentation 3D 

Al, a 30
Distribution dépend des angles dincidence et
démission
Al, a 70
Al, a 60
15
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement

• Provenance des électrons 

A 200 eV Près de 98 des électrons proviennent
des 2 premières couches
Possibilité en faisant varier lénergie primaire
des électrons, de modifier la profondeur atteinte
MM-EPES
A 1000 eV 70-80 des électrons proviennent des 3
premières couches
16
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement

• Dépendances du coefficient de réflexion
  élastique 

1. Dépendance énergétique 
Suivant les éléments Z dépendance énergétique
différente
Détermination des différents éléments présents à
la surface en choisissant lénergie adéquate.
17
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement

• Dépendances du coefficient de réflexion
  élastique 

Au (Z79)
2. Dépendance angulaire (a 0)
Cu (Z29)
Ag (Z47)
he dépend des angles démission donc des angles
de collection de lanalyseur utilisé.
18
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement

• Comparaison des résultats de notre simulation
  Monte-Carlo avec les résultats publiés par
  dautres auteurs.

Bon accord entre ces différentes simulations
1A. Jablonski, K. Olejnik, J. Zemek, Electron
spectros. Related. Phenom. 152 (2006) 100-106
1A. Dubus, A. Jablonski, S. Tougaard, Progress
in Surface Science 63 (2000) 135-175
19
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement
Détermination du libre parcours moyen inélastique
li

• LEPES associe à une simulation Monte-Carlo
• méthode très adaptée pour la détermination du
  paramètre li.

• Paramètre bien connu pour des éléments purs

• Très peu de travaux publiés sur les composés
  binaires

• Etudes dans le cadre dun contrat européen
  COPERNICUS

- semiconducteur III-V InSb
Mesures expérimentales obtenues dans 4
laboratoires

• - alliages binaires AuxCuy

Configurations expérimentales différentes Ep, a,
angles de collections (qout,jout)
20
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement

• Semiconducteur III-V  InSb

Obtention du li par ajustement simulation/expérien
ce
- Mesures absolues notre simulation Monte-Carlo
(RFA-C)
- Mesures relatives / Au simulation dA.
Jablonski (RFA-P et DCMA)
Comparaison avec les résultats publiés par Tanuma
et al1(TPP-2M), Kwei et al2 et Gries3 (G1)
LEPES méthode adaptée pour la détermination du
li indépendamment des conditions expérimentales
1S. Tanuma, C.J. Powell, D.R. Penn, Surf.
Interface Anal. l7 (1991) 927. 2C.M. Kwei, L.W.
Chen, Surf. Interface Anal. 11 (1988) 60. 3W.H.
Gries, Surf. Interface Anal. 24 (1996) 38.
21
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement

• Alliages binaires AuxCuy

• Détermination du li pour 3 alliages
• Au25Cu75
• Au50Cu50
• Au75Cu25

Comparaison expériences/simulation
- Mesures absolues notre simulation Monte-Carlo
(RFA-C)
- Mesures relatives / Au simulation dA.
Jablonski (RFA-P et DCMA)

• Comparaison des résultats avec
• la formule TPP2-M1
• la formule de Gries2

A laide de lEPES associé à une simulation MC
détermination des li pour chaque alliage
1S. Tanuma, C.J. Powell, D.R. Penn, Surf. Interf.
Anal. 21 (1994) 165. 2W.H. Gries, Surf. Interface
Anal. 24 (1996) 38.
22
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement
Etude quantitative de lEPES 

• La méthode EPES très sensible à la surface des
  matériaux

Détermination de la composition des différentes
couches superficielles de la surface

• Variation de lénergie primaire des électrons

• Modulation de la sensibilité à la surface

• Voie plus appliquée très peu de publications

• Etude des hétérostructures  Au/Al2O3/Si et
  Au/Al0/Al2O3/Si

• Etude du système AlxGa1-xAs.

23

• Etude dun dépôt dor sur une surface dAl2O3

Au/Al2O3
Au/Al0/Al2O3
Observation de 2 processus de condensation dor
sur des surfaces dalumine différentes
24
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement

• Etude de lhétérostructure Au/Al2O3/Si

95 3 couches 5 4 et
88 3 couches 12 4 et
100 3 couches
Présence de 3 MC dor pur à la surface
25
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement

• Etude dun système AlxGa1-xAs

• Etude EPES de 4 échantillons ayant différentes
  concentrations en aluminium

• Simulation Monte-Carlo GaAs et dAlAs.

he entre les deux valeurs extrêmes GaAs et AlAs
26
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement

• Etude dun système AlxGa1-xAs

- Interpolation linéaire entre les valeurs du
GaAs et de lAlAs
- Estimation de la concentration en Al de 4
échantillons pour chaque énergie
Echantillon AlxGa1-xAs Composition en Al (mesures EPES) Composition en Al (mesures RHEED)
401 0.36 ? 0.08 0.4
402 0.25 ? 0.07 0.23
403 0.20 ? 0.09 0.19
404 0.21 ? 0.07 0.20
Bon accord entre les mesures MM-EPES et RHEED
27
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement
Effet de la rugosité de surface sur les mesures
EPES

• Description de la rugosité de surface

• Facteur très difficile à contrôler
  expérimentalement

• Très complexe à décrire à laide dun formalisme
  mathématique

• Code de simulation Monte Carlo adapté à une
  surface Si possédant des créneaux (H,b)

H 6 mm et b 70
28
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement

• Définition de lombrage direct et indirect

Ombrage indirect
29
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement

• Effet de lombrage direct et indirect

Leffet dombrage augmente avec langle
dincidence
he surface rugueuse sans ombrage he surface
rugueuse avec ombrage
Effet dombrage
30
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement
E 200 eV
Simulation MC dune surface plane
Simulation MC dune surface rugueuse
Points expérimentaux publiés1 pour une surface
rugueuse
E 500 eV
Pour une surface rugueuse simulations et
expériences en bon accord
Augmentation de lécart entre les 2 types de
surface avec langle dincidence des électrons
1A. Jablonski, K. Olejnik, J. Zemek, Electron
spectros. Related. Phenom. 152 (2006) 100-106
31
l EPES Méthode danalyse de surfaces
La recherche
Lenseignement
Conclusions et perspectives sur lEPES

• LEPES
• Méthode - sensible à la surface des matériaux
• - complémentaire aux autres spectroscopies
• Méthode adaptée pour la détermination
• - du libre parcours moyen inélastique li
• - des différentes couches superficielles de la
  surface

• Les valeurs de he dépendent
• de lénergie primaire des électrons
• des angles dincidence et de collection de
  lanalyseur
• de létat de la surface la rugosité

• Présentation des premiers résultats sur une
  surface rugueuse
• Etendre létude à dautres matériaux, à dautres
  types de rugosités

• Prise en compte des excitations de surface ou
  plasmons de surface
• nouveau code de simulation (thèse en cours)

32
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement
Partie 2. Elaboration de couches ultra-minces de
nitrure dindium sous ultra-vide et
caractérisation in-situ par spectroscopies
électroniques (AES, EPES, XPS)

• Les nitrures déléments III (GaN, InN) Domaines
  dapplications
• En optoélectronique lasers UV et bleus
• En électronique applications à haute
  température et à haute puissance

Contexte de létude

• Expertise III-V de léquipe
• surface de lInP(100), passivation par Sb
  InSb/InP

• La nitruration de la surface InP(100)
• Amélioration de la qualité de linterface (couche
  tampon)
• Fabrication de films minces dInN sur InP

33
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement
Collaboration avec luniversité Charles de Prague

• Conception et réalisation dune source dazote à
  décharge haute tension

• Deux runs au synchrotron ELLETRA de Trieste
  (Italie)

Material Science Beamline (MSB)
34
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement
Etape 1 Création dîlots dindium métallique
Après bombardement ionique de la surface InP(100)
h4MC, q25
Cristallites dindium métallique de taille
nanométrique
Rôle de précurseurs pour la nitruration
35
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement

• Suivi par spectroscopie SR-XPS

environnements chimiques des atomes dindium
Calculs des intensités théoriques du signal des
atomes dindium
environnements chimiques des atomes de phosphore
Rapport
36
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement

• Suivi par spectroscopie SR-XPS

P2p
In4d
R(théorie) 0,85
Rapport
R(Expér.) 0,84
Cohérence entre théorie et expériences
Validation des paramètres de décomposition et de
la description des différents environnements
37
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement
Étape 2 Réalisation de 2 couches dInN/InP(100) 
T250C
Etude en fonction de
Langle du flux dazote / à la surface
Temps de nitruration
38
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement

• Suivi par spectroscopie Auger

Les contributions P-In et P-N

• avant nitruration
• 3 gaussiennes correspondants aux liaisons P-In
  (triplet Auger du P)

• après nitruration
• 6 gaussiennes 3 pour les P-In et 3 pour les P-N.

39
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement

• Suivi par spectroscopie Auger

Proportion des liaisons P-In et P-N dans la
totalité du pic Auger du phosphore

40 min
40 min
40
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement

• Suivi par spectroscopie Auger

Proportion des liaisons P-N formées par rapport
aux liaisons P-In 
40 min
Moins de liaisons P-N formées sous un flux rasant

41
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement

• Suivi par spectroscopie Auger

Transitions Auger de lindium et de lazote
Au cours de la nitruration
Apparition du pic Auger de lazote
Décalage en énergie du pic Auger de lindium
42
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement

• Suivi par spectroscopie Auger

Décalage de la pic Auger de lindium
Variations différentes suivant langle du flux
Différence délectronégativité des espèces
présentes
Processus optimal de nitruration
40 min sous flux rasant
43
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement

• Suivi par spectroscopie SR-XPS

Atomes dazote
Atomes dindium
Atomes de phosphore
Nouveaux environnements chimiques des atomes
dindium
Nouvel environnement chimique des atomes de
phosphore
44
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement

• Suivi par spectroscopie SR-XPS

niveau de cœur In4d
niveau de cœur P2p

• Intensité théorique du signal provenant des
  atomes dindium du substrat dInP

hn50 eV
hn190 eV
P-In

• Intensité théorique du signal provenant des
  atomes dindium des couches de nitrure

P-N
I/I 0.6 2 couches dInN/InP(100)
45
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement

• Le processus de nitruration dépend fortement
• - du temps dexposition au flux dazote
• - de langle dincidence du flux/ surface

• Efficacité du processus maximale 40 minutes à
  angle rasant

Epaississement des couches de nitrure création
de 4 couches dInN/InP(100)
Passivation thermique étude du recuit des
couches nitrurées
46
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement
Etapes 3 et 4 Réalisation de 4 couches
dInN/InP(100) 
Etapes de la nitruration
Etape 1  Après bombardement ionique
47
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement

• Suivi par spectroscopie Auger

Transitions Auger de lindium et de lazote
Valeurs permettant de suivre les différentes
étapes du processus de nitruration
48
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement

• Suivi par spectroscopie Auger

Evolution des rapports expérimentaux RP-N/P-In
et RP-N/P, RP-In/P
RP-N/P-In

Comparaison expérience/modélisation Création de 4
couches dInN/InP(100)
49
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement
Etude du recuit des structures InN/InP(100)

• Suivi par spectroscopie SR-XPS

Recuit T 450 C
(Température de congruence de lInP 380C)
Pas dévolution significative du pic In4d entre
nitruré et nitruré recuit
Passivation thermique de la surface
50
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement

• Suivi par spectroscopie SR-UPS

Pas de changements significatifs de la BV en
fonction de lénergie du faisceau
3 nouvelles structures après la nitruration 3,5
eV 5 eV et 9 eV
Structures plus marquées après le recuit
Arrangement ou cristallisation des couches
nitrurées sous linfluence du chauffage
51
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement

• Suivi par diffraction délectrons lents (LEED)

Structure (4x2) déjà observée sur une surface
dInP(100) riche indium
Structure principale (4x1) attribuée aux
couches dInN formées sur la surface dInP(100).
Epaisseur de lInN très faible. Couche
contrainte par le substrat InP(100).
52
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement
Détermination de loffset de bandes à linterface
InN/InP(100)
Mesure de la discontinuité de la bande de valence
DEv à linterface InN/InP par SR-XPS
Calculs utiles pour interpréter les mesures
électriques I(V) et C(V)
53
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement
Conclusions sur lélaboration de couches minces
dInN/InP(100)

• Méthode originale de nitruration de surfaces
  InP(100)

• Epaississement des couches de nitrures

• Recuit à 450C des couches de nitrures
  Passivation thermique de la surface

Les spectroscopies délectrons modèles
théoriques compréhension des phénomènes de
surface.
54
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement
Perspectives
Perspectives Réalisation de nano-pores
organisés sur InP(100)

• Réalisation de masques dalumine AAO

• Suivi par MEB

• Suivi par spectroscopie électronique XPS

55
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement
Perspectives

Premiers résultats obtenus en XPS Suivi du pic
P2p

56
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement
Perspectives

Premiers résultats obtenus en XPS Suivi et
décomposition du pic In4d

57
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement
Perspectives

• Les masques AAO permettent de réaliser
• des trous de tailles nanométriques
• ayant une configuration contrôlée

• Étude plus poussée en faisant varier
• lénergie des ions
• le temps de bombardement
• le diamètre des pores

• Modélisations à développer Expérience XPS

• Premiers résultats très prometteurs permettant
  denvisager
• la croissance de piliers dInN sur InP(100)
• la réalisation de boites enfouies dInN

58
Couches minces dInN
l EPES Méthode danalyse
La recherche
Lenseignement
Synthèse des travaux

• Travaux écrits
• 5 Mémoires de Master et 4 Thèses (dont 1 en
  cours)
• 38 publications dans des journaux internationaux

Merci pour votre attention!

• Contrats, programmes associés à ce travail
• Programme Européen 6ème PCRDT COPERNICUS
  (1997-2002)
• Runs au Synchrotron ELLETRA (Italie)
• - Materials Science Beamline (MSB) (2003 et
  2005)
• Programme dAction Intégrée (PAI)
• - POLONIUM Institut Physique-Chimie de
  Varsovie (2002-2004)
• - BARRANDE Université Charles de Prague
  (2000-2001)
• - CMEP université Sidi Bel Abbès (1997-2002 et
  2006-2009)
• - CMCU - France/Tunisie (1998-2000 et 2004-2006)
  
• Echanges ERASMUS (2003)
• Conventions Massif-Central et Innov_at_pôle
  (programme TIMS)

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Christine ROBERT-GOUMET
LEPES  méthode danalyse de surfaces
expériences et modélisations
Etude de lhétérostructure InN/InP(100) par
spectroscopies électroniques
Habilitation à Diriger des Recherches
Pr. A. Dubus Faculté des Sciences appliquées de
Bruxelles Pr. G. Lelay, Université de Provence,
Marseille Pr. B. Gruzza, Université
Blaise-Pascal, Clermont-Fd Dr. G. Gergely,
Académie des Sciences de Hongrie, Budapest Pr. V.
Matolin , Université Charles, Prague Pr. L.
Bideux , Université Blaise-Pascal, Clermont-Fd
60
(No Transcript)