Soutenance de thèse de Taseer ANJUM

Au cours des deux dernières décennies, d’énormes progrès ont été réalisés dans la miniaturisation des dispositifs optoélectroniques et des systèmes nanoélectromécaniques à base de capteurs grâce à l'intégration de nanofils quasi unidimensionnels. Pour le développement de la future génération de dispositifs basés sur des nanofils, il est essentiel d'étudier les mécanismes de déformation sous-jacents et leur mécanique. Le présent travail porte sur l'analyse de la réponse mécanique de nanofils d'arséniure de gallium (GaAs) semi-conducteurs préparés sur un substrat de silicium par épitaxie par jet moléculaire. Le comportement mécanique du nanofil est caractérisé par des essais de flexion in situ dans un microscope électronique à balayage et en combinaison avec la diffraction des rayons X. Avec le développement des optiques de focalisation des rayons X, des faisceaux de taille sub-100 nm sont disponibles dans différents synchrotrons et permettent d'étudier des nanofils uniques. Le premier objectif de cette thèse est d'étudier l'impact d’un chargement dynamique, c'est-à-dire des vibrations induites électromécaniquement sur des nanofils individuels en utilisant l'imagerie par diffraction des rayons X. L'étude paramétrique est réalisée en faisant varier l'amplitude de la vibration ou le temps de sollicitation. L'expérience ex-situ, prévue pour examiner la structure cristalline de ces NFs sollicités dynamiquement, était prévue pour mars 2020, mais en raison de la pandémie COVID-19, l'expérience a été reportée par l'installation synchrotron. Le deuxième objectif de ce travail est d'identifier le mécanisme responsable de la relaxation anélastique qui a été observée après des essais de flexion ou de flambage effectués sur des nanofils de GaAs dopés avec du Be. La déformation anélastique est quantifiée en utilisant un algorithme de corrélation d'images numériques. Les résultats sont comparés aux simulations FEM de la solution d’un système d'équations différentielles non linéaires fortement couplées (diffusion et élasticité). L'accord entre les simulations FEM et les données mesurées montre que la relaxation anélastique peut être attribuée à l’ effet Gorsky dans les nanofils, c’est à dire au couplage entre la diffusion des défauts ponctuels et le gradient de contrainte. Les nanofils de GaAs dopé avec du Be ont été sollicités in situ en flexion latérale trois points en utilisant un microscope à force atomique in situ (SFINX) et la diffraction des rayons X sur la ligne de lumière P23 à PETRA III. La flexion a été induite dans les nanofils par le mouvement latéral de la pointe du SFINX. Les nanofils présentent une déformation élastique, une déformation plastique et une relaxation anélastique dépendant du temps. La relaxation anélastique donne lieu à un coefficient de diffusion de 2,71 x 10-13 cm2/ et est en accord avec un effet Gorsky.

During the last two decades, tremendous advances have been made in the miniaturization of opto-electronic devices and sensor-based nano-electromechanical systems by the integration of quasi one-dimensional nanowires. For the development of future generation nanowire-based devices, it is essential to investigate the underlying deformation mechanisms and their mechanics. The present work focuses on the mechanical response analysis of semiconductor gallium arsenide (GaAs) nanowires grown on a silicon substrate via molecular beam epitaxy. The mechanical behavior of the nanowires is characterized via in-situ bending tests in a scanning electron microscope and in combination with x-ray diffraction. With the major development of x-ray focusing optics, sub-100 nm sized beams are readily available at synchrotron facilities enabling the study of single nanowires. The first aim of this work is to investigate the impact of systematic dynamic loading, i.e., electromechanically induced vibrations on single nanowires by using Bragg diffraction imaging. A parametric study is carried out either by varying the amplitude of the vibration or the dwell time. The ex-situ experiment, planned to examine the crystalline structure of these vibrated NWs, was planned for March 2020, but due to the COVID-19 pandemic spread, the experiment has been shifted to a later time by the synchrotron facility. The second aim of this work is to identify the anelastic strain relaxation of the nanowires which was observed as a direct consequence of cantilever bending tests and buckling tests on free standing Be-doped GaAs nanowires. The anelastic strain is derived by using a digital image correlation algorithm. The results are compared with FEM simulations used to solve a system of highly coupled nonlinear partial differential equations (elasticity and diffusion). The agreement between FEM simulations and measured data conclusively relate the anelastic relaxation in the investigated nanowires to the Gorsky effect, i.e. the coupling between point defects diffusion and stress gradient. Be doped GaAs nanowires are further examined in the lateral three-point bending configuration by employing the Scanning Force Microscope for in situ Nanofocused X-ray diffraction (SFINX) and x-ray diffraction at beamline P23 at PETRA III. The bending of the nanowires was induced by the lateral movement of the tip of SFINX. The nanowires demonstrate elastic deformation, plastic deformation, and time-dependent anelastic relaxation. The anelastic relaxation yields a diffusion coefficient of 2.71 x 10-13 cm2/s and is consistent with a Gorsky effect.