PRESENTATION DU SYSTEME Pb Si

Le système Pb/Si

Afin d’étudier la supraconductivité confinée dans des couches minces et dans des îlots, il est nécessaire de partir d’un substrat répondant à un certain nombre de critères. Il faut premièrement que les îlots de plomb soient connectés à une électrode pour drainer le courant électrique, un substrat isolant est donc exclu. Cependant il ne doit pas être un très bon conducteur non plus afin de ne pas perturber par effet de proximité inverse les propriétés électroniques des nanostructures supraconductrices déposées à sa surface. Il ne doit pas répondre à l’excitation magnétique ni subir de modifications électroniques aux températures considérées.

Substrat de silicium

Nous avons choisi un substrat de silicium, ses propriétés sont bien connues  Le substrat de silicium (111) est reconstruit 7×7 en surface suivant une préparation in situ. et répondent aux critères énoncés en introduction. Sa fabrication est bien maîtrisée, il est commercialisé sous forme de wafer de différentes tailles, épaisseurs et dopages. Comme il est écrit au chapitre II, il est facilement préparé sous ultravide. Deux échantillons de dopage au phosphore ont servi dans cette thèse, un premier peu dopé ( ) pour l’étude du confinement ultime des vortex et l’étude de l’effet de proximité, et un autre fortement dopé ( ) pour l’étude des vortex Josephson. Le silicium volumique a une structure « diamant ». Nos échantillons ont une surface dont le plan est (111). Une fois le substrat flashé (1100-1200°C pendant 5s) dans la chambre de préparation, la surface est reconstruite 7×7.

La carte topographique en figure 1.1.1 montre la résolution atomique du silicium (111) reconstruit 7×7 obtenue par STM. Figure 1.1.1 : Carte topographique du substrat de silicium reconstruit 7×7. (19×19 nm², I = 0,98 nA, U =1,5 V. Echelle z : 0 à 2 nm). Le plan apparent des wafer de silicium n’est jamais parfaitement aligné avec un plan (111), la surface compense ce léger angle par la formation de marches monoatomiques dont les bords en forme de zig-zag concordent avec la géométrie de la maille 7×7. Les pics d’un zig-zag d’une terrasse font face aux creux de ceux de la suivante (figure 1.1.2.b).

Ils sont connectés par une dislocation de surface : deux domaines de reconstruction 7×7 s’y rejoignent et ont leur réseau translaté d’une fraction de maille l’un par rapport à l’autre. Par ailleurs, des dislocations de volume traversent l’échantillon mais n’influent pas sur la reconstruction de surface. Quelques impuretés de carbure de silicium sont ancrées en surface en faible densité. Elles provoquent des accumulations de marches sur des distances supérieures au micromètre, on parle de step bunching [Michailov 2011]. Il est cependant possible d’obtenir des surfaces propres, les marches de silicium sont alors monoatomiques, parallèles entre elles et régulièrement espacées (figure 1.1.2.b).

Croissance du plomb sur le silicium

Le plomb volumique a un réseau cristallin cubique face centrée. Dans le plan (111) les atomes sont espacés de 0,351 nm contre 0,384 nm pour le silicium, le désaccord de paramètre de maille est donc de 9 %, ce qui ne permet pas l’épitaxie. La relaxation du plomb se fait dès la première couche atomique près de l’interface. Les nanostructures gardent cependant la mémoire des axes cristallographiques du substrat. Selon les affinités entre deux matériaux, la croissance de l’un sur l’autre dépend des énergies de surface et d’interface ainsi que la dynamique de dépôt et de la température.

Il existe deux modèles pour décrire les situations extrêmes ; dans celui de Franck Van der Merwe, les matériaux mouillent totalement et la croissance de l’un sur l’autre se fait couche par couche, tandis que dans celui de Volmer-Weber, ils ne mouillent pas et le matériau déposé croit sous forme d’îlots. Le plomb déposé sur le silicium (111) suit une situation intermédiaire, dite Stranski-Krastanov : une couche de mouillage recouvre le substrat sur deux ou trois monocouches selon la température puis le grand désaccord de maille entre les deux matériaux impose une croissance en îlots. Ceux-ci sont des monocristaux de forme triangulaire plate exhibant un plan (111) parallèlement au substrat. Cette face est plus stable énergétiquement que n’importe quelle autre face découpée dans le cube face centrée. Les bords des îlots sont donc formés par trois grands plans (111) et trois plans (100) plus petits (figure 1.2.1).