Ecole Doctorale

Physique et Sciences de la Matière

Spécialité

PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : MATIERE CONDENSEE et NANOSCIENCES

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Ferroélectricité,Rashba,epitaxie,semi-conducteur,ferroelasticité,

Keywords

Ferroelectricity,Rashba,epitaxy,semi-conductor,ferroelasticity,

Titre de thèse

Croissance et ferroélectricité du GeTe sur Si(111)
Growth and ferroelectricity of GeTe on Si(111)

Date

Jeudi 24 février 2022 à 14:00

Adresse

CINaM - UMR 7325 CNRS - Aix Marseille Université Campus de Luminy – Case 913 13288 MARSEILLE Cedex 09 Raymond Kern

Jury

Directeur de these M. Frédéric LEROY Aix-Marseille Université
Rapporteur M. Antoine BARBIER Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies
CoDirecteur de these M. Fabien CHEYNIS Aix-Marseille Université
Rapporteur M. Alain MARTY Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies
Examinateur Mme Salia CHERIFI-HERTEL Institut de physique et de chimie des Matériaux de Strasbourg
Examinateur M. Yannick FAGOT-REVURAT Université de Lorraine
Examinateur M. Vincent GARCIA CNRS/Thalès
Président M. Olivier THOMAS Aix-Marseille Université

Résumé de la thèse

Nous avons effectué la croissance par épitaxie par jet moléculaire de couches minces de GeTe sur Si(111)-Sb. La relation d’épitaxie du domaine majoritaire est GeTe(111) ∥ Si(111) et GeTe[1-10] ∥ Si[1-10]. Pour des échantillons d’une épaisseur de 0.35 nm à 1.3 nm, nous observons environ 40% de domaines tournés de 180° dans le plan. Cette proportion diminue rapidement à partir d’une épaisseur de 2 nm (30%) et atteint environ 4% pour une épaisseurs de 200 nm. Nous avons également observé une reconstruction (√3 ×√3) à la surface des échantillons d’épaisseur inférieure à 2.8 nm, qui peut être expliquée par la présence d’antimoine à la surface du GeTe. Deux régimes de croissance ont été observés pour des échantillons d’épaisseurs supérieures à 40 nm dépendants de la température du substrat pendant la croissance. À 250°C, nous observons une croissance par dislocations avec quelques domaines ferroélastiques. À 270°C, nous observons une croissance couche-par-couche avec de nombreux domaines ferroélastiques. Ces domaines ont une forme d’aiguille perpendiculaire à la direction < -1-12 >. Leurs maille et leurs paramètres de maille sont identiques à ceux du domaine principal (rhomboédrique avec ar = 0.429 nm et θ = 58.3°). L’axe [111] de leur maille et leur polarisation électrique sont inclinés d’environ 72° par rapport à l’axe [111] du domaine principal. Leurs largeur et leur proportion dans les couches minces de GeTe dépendent de la température de croissance ainsi que de l’épaisseur des couches minces. Nous avons observé à la surface des domaines ferroélastiques trois structures différentes, dont des terrasses avec une terminaison germanium et une reconstruction (2 × 2), contrairement au reste de la couche qui a une terminaison tellure. Les domaines ferroélastiques disparaissent en chauffant aux alentours de 220°C (dépendant de l’épaisseur). Finalement, nous avons caractérisé la structure de bande électronique du GeTe et trouvé une constante Rashba αr = 0.475 eV.nm. Celle-ci diminue avec l’épaisseur des couches minces mais des effets inexpliqués ont été observés pour des épaisseurs de 1 et 2 nm. Nous avons aussi réalisé des mesures afin d’observer la courbure de Berry.

Thesis resume

We have grown GeTe thin films on Si(111)-Sb by molecular beam epitaxy. The main epitaxial relationship is GeTe(111) ∥ Si(111) and GeTe[110] ∥ Si[110]. For thin films thicknesses between 0.35 nm and 1.3 nm, we have observed about 40% of domains rotated by an in-plane angle of 180°. This proportion decreases for thicknesses above 2 nm (30%) and is about 4% for a 200 nm thickness. We also have observed a (√3 ×√3) reconstruction at the surface of thin films with a thickness below 2.8 nm, that can be explained by the presence of antimony at the GeTe surface. Two growth regimes have been observed for thin fim thicknesses above 40 nm, depending on the substrate temperature during growth. At 250°C, we have observed a dislocation driven growth mode, with some ferroelastic domains. At 270°C, we have observed a step flow growth mode with numerous ferroelastic domains. Those domains are needle-shaped and are perpendicular to the < 112 > direction. Their lattice and lattice parameters are the same as the main domain (rhombohedral with ar = 0.429 nm and θ = 58.3°). Their [111] axis and their electrical polarization are rotated by about 72° with respect to the [111] axis of the main domain. Their width and their proportion in GeTe thin layers depend on the growth temperature as well as the layer thickness. We have also observed three different structures at the ferroelastic domains surface, including germanium-terminated terraces with a (2 × 2) reconstruction, while the rest of the layer is Te-terminated. Ferroelastic domains disappear while heating at about 220°C (depending on the layer thickness). Finally, we have characterized the electronic band structure of GeTe and we have found a Rashba constant αr = 0.475 eV.nm. It decreases with the films thickness but we observed unexplained effects for 1 and 2 nm thicknesses. We also have made measurements to observe the Berry curvature.