Le principe de fonctionnement du microscope à force atomique (AFM) est d’imager la surface d’un matériau, à l’échelle du micron au nanomètre, via les forces d’interaction qui s’exercent entre les atomes de la surface de l’échantillon et les atomes de la pointe du microscope (forces attractives de Van Der Waals, forces répulsives coulombiennes, …). L’image obtenue permet de déterminer la rugosité de la surface, d’identifier et de quantifier les dislocations traversantes1, de mesurer les dimensions des marches atomiques2 et des nanostructures telles que les boîtes quantiques3.

1) Image topographique 2D de la surface d’une couche de GaN (0001) épitaxiée sur saphir (0001)

Les dislocations traversantes sont des défauts linéaires qui parcourent la couche de GaN depuis l’interface entre le GaN et le saphir jusqu’à la surface. Elles correspondent à des centres de recombinaison non radiative pour les électrons et les trous et atténuent donc l’efficacité optique des LEDs à base de GaN. Les dislocations observées (2 coins et 6 mixtes) sont représentées par des points noirs sur l’image AFM où les doubles marches atomiques sont le siège de dislocations à composante vis ou mixte et les dislocations les plus petites sont à composante coin.

Assemblages d'images de l'équipe Nano
Image topographique 2D de la surface d’une couche de GaN (0001) épitaxiée sur saphir (0001). Scan 2x2 µm2, échelle en z = 2,67 nm, rugosité moyenne standard (RMS) = 0,27 nm, densité de dislocations = 2.108 dislocations.cm-2.
 

2) Image topographique 2D de la surface d’une couche de graphène épitaxiée par CVD sur 6H-SiC

On distingue sous le graphène les marches du substrat de 6H-SiC d’une hauteur multiple de celle d’une bicouche Si-C, soit 0,25 nm. La plupart sont des triples marches de (0,75 nm de haut, indiquées 3 Si-C), mais on trouve aussi des marches doubles (0,50 nm de haut, indiquées 2 Si-C) ou simples (0,25 nm de haut, indiquées 1 Si-C). La présence d’une seconde couche de graphène, indiquée en pointillé, est révélée par l’image de phase (à droite) et par des marches d’une hauteur d’environ 0,35 nm (indiquées 2 G). Dans le cadre d’une collaboration avec le Laboratoire National d’Essai et de Métrologie (LNE), ce type de graphène est utilisé pour réaliser des étalons de résistance électrique reposant sur l’effet Hall quantique.

Image
Image topographique 2D de la surface d’une couche de graphène épitaxiée par CVD sur 6H-SiC (échelle en z = 12 nm)(au centre), profil de hauteur (à gauche) et image de phase (à droite).
 

3) Image topographique 3D des boîtes quantiques de GaN

Les boîtes quantiques représentent des îlots de petites dimensions qui confinent les électrons et les trous selon les trois directions spatiales, favorisant leur recombinaison radiative et augmentant ainsi l’efficacité optique des LEDs.

Image 3D boîtes quantiques de GaN
Image topographique 3D des boîtes quantiques de GaN élaborées sur une couche d’Al0,5Ga0,5N et profil associé de quelques boites qui permet de mesurer leur taille (ici, la largeur d’une boite vaut 25 nm et la hauteur vaut 12 nm.
 

Les appareils utilisés sont décrits dans la page caractérisation du CRHEA.

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