Soutenance de thèse de ABU DAHECH Nayef

Résumé de la thèse

Les nanostructures de surface soumises à un gradient de température peuvent se
déplacer de manière dirigée par une redistribution des atomes induite par le champ thermique. Cette thèse développe un cadre quantitatif pour l'étude de la thermomigration dans deux systèmes matériels et pour deux dimensionalités structurales, en combinant la microscopie électronique à basse énergie (LEEM) en temps réel sous ultra-vide avec des modèles cinétiques analytiques.
Un modèle analytique est d'abord développé pour la thermomigration de trous
monoatomiques bidimensionnels sur Si (100), en étendant le formalisme thermodynamique de Roux et Combe aux objets de surface étendus. Le modèle met en évidence deux régimes cinétiques distincts : une vitesse indépendante de la taille lorsque la diffusion à travers le trou est limitante, et une vitesse proportionnelle à la largeur du trou lorsque l'attachement et le détachement aux bords de marche sont limitants.
Les mesures LEEM confirment le régime limité par la diffusion et conduisent à une somme des énergies de migration et de création d'adatomes de 1.95 ± 0.16 eV, en accord avec les estimations indépendantes de la littérature.
Le cadre théorique est ensuite étendu aux objets tridimensionnels en phase liquide: des microgouttes Au – Ge sur Ge (111). Un modèle cinétique reproduit quantitativement la transition induite par la température autour de 1180 K : en dessous de cette température, la vitesse augmente linéairement avec la taille de la goutte, correspondant à un régime limité par l'attachement et le détachement, tandis qu'au-dessus, la vitesse devient indépendante de la taille, correspondant à un régime limité par la diffusion. Les deux régimes ainsi que la transition entre eux sont confirmés expérimentalement par LEEM, constituant la première reproduction quantitative d'une telle transition dans un système de thermomigration de gouttes liquides. Les microgouttes en migration laissent également derrière elles des terrasses de Ge (111) atomiquement
planes pouvant atteindre 7 μm.
Ces terrasses fournissent une géométrie de substrat contrôlée pour une étude à
l'échelle nanométrique. Les nanogouttes Au –Ge présentent une diffusion biaisée,
avec un coefficient de diffusion variant selon D ∝ R^{−2} et une vitesse de dérive indépendante de la taille. Ces deux observations sont cohérentes avec une cinétique limitée par l'attachement et le détachement à l'interface goutte–substrat. Une énergie d'activation effective de 0.5 ± 0.3 eV est extraite de manière cohérente à partir de ces
deux grandeurs.
Enfin, un laser focalisé intégré à la colonne LEEM est utilisé pour moduler localement le gradient thermique responsable de la migration des microgouttes. Le laser augmente systématiquement la vitesse de migration, jusqu'à un facteur vingt, et permet de contrôler directionnellement les trajectoires de gouttes individuelles, démontrant que la thermomigration peut être activement contrôlée pour le transport dirigé de nanostructures sur des surfaces cristallines.