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 dépitaxie du domaine majoritaire est
GeTe(111) ∥ Si(111) et GeTe[1-10] ∥ Si[1-10]. Pour des échantillons dune 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 dune 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 dépaisseur
inférieure à 2.8 nm, qui peut être expliquée par la présence dantimoine à la
surface du GeTe. Deux régimes de croissance ont été observés pour des échantillons
dépaisseurs 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 daiguille
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°). Laxe [111] de leur maille et leur polarisation électrique sont inclinés
denviron 72° par rapport à laxe [111] du domaine principal. Leurs largeur et
leur proportion dans les couches minces de GeTe dépendent de la température de
croissance ainsi que de lépaisseur 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 lépaisseur).
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 lépaisseur 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 dobserver 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.