rapport d'activités 2003-2008 - RQMP

Structure du silicium amorphe
— défauts, ordre local et relaxation
Chercheurs : Laurent Lewis, Normand Mousseau, Sjoerd Roorda et François Schiettekatte
Stagiaire postdoctoral : Ali Kerrache
Étudiants : Houssem Kallel, Jean-François Joly, Gabriel Geadah-Antonius et Philippe St-Jean
Contact : Normand Mousseau; normand.mousseau@umontreal.ca; www.phys.umontreal.ca/~mousseau
Les matériaux désordonnés sont utilisés fréquemment dans l’industrie électronique. Par exemple, le
silicium amorphe est utilisé comme transistor dans les écrans plats à cristaux liquides. Ce matériau est
aussi considéré comme le représentant le plus simple d’une grande famille de matériaux désordonnés
tels que la silice qu’on utilise dans les verres. Nous nous intéressons ici à comprendre, par des
approches théoriques et expérimentales, ce que veut dire un matériau désordonné de bonne qualité.
Il nous faut donc définir un bon et un moins bon désordre et comprendre ce que peut être un défaut
dans un tel système.
Le silicium est à la base de l’industrie de l’électronique. En
général, on l’utilise sous une forme de cristal, où tous les
atomes sont bien placés, en rang, à l’infini. Toutefois, il arrive
que des erreurs de positionnement se produisent, introduisant
des défauts dans le bel ordre cristallin. Ainsi, il peut arriver
qu’un atome manque, laissant un trou, qu’on appelle lacune,
dans le cristal. Il se peut aussi qu’un atome en trop soit forcé
à se placer dans un espace libre dans le cristal, formant un
interstitiel. Nous avons présentement une très bonne compréhension
des défauts dans le silicium et, en général, dans les
autres matériaux cristallins. Mais comment identifier un défaut
dans un matériau désordonné ? La question se pose dans le
cas du silicium amorphe, une autre phase du silicium, qui est
utilisée dans les écrans plats à cristaux liquides par exemple.
Dans ce matériau, les atomes ne sont plus alignés, mais s’ordonnent
plutôt de manière aléatoire en ne respectant qu’une
seule règle : chaque atome de silicium ne doit avoir que
4 atomes voisins, tout comme dans le cristal.
L’importance de ces travaux est à la fois fondamentale et
appliquée. D’un point de vue fondamental, par exemple, il est
intéressant de voir comment on peut définir un défaut, quelque
chose qui sort de l’ordinaire, dans un matériau déjà désordonné.
Du côté appliqué, une meilleure compréhension des
structures atomiques responsables de certaines propriétés
électroniques nuisibles permettrait de développer des mécanismes
de compensation, améliorant d’autant l’utilité de ce
matériau dans l’industrie électronique.
En plus d’avoir une importance technologique certaine, le silicium
amorphe représente un système modèle pour tous les
matériaux désordonnés tels que les verres et les polymères. Afin
de caractériser la structure du silicium amorphe et de définir ce
que veut dire un défaut dans ce type de matériaux, l’équipe
peut compter sur trois spécialistes mondiaux dans le domaine :
deux théoriciens — Laurent Lewis et Normand Mousseau, et
un expérimentateur — Sjoerd Roorda. Ayant accès aux ordinateurs
massivement parallèles du Réseau québécois de calcul
de haute performance, ainsi qu’aux accélérateurs de particules
du Département de physique de l’Université de Montréal, les
chercheurs sont dans une position privilégiée pour faire des
progrès sur ce problème et, en particulier, identifier clairement
la nature des défauts observés de manière indirecte par des
mesures expérimentales de relaxation.
Modèle de silicium amorphe. Chaque atome est dans un environnement similaire
au cristal alors que le matériau est pourtant bien désordonné.
Références
• “Dependence of the structural relaxation of amorphous silicon on implantation
temperature”, J.-F. Mercure, R. Karmouch, Y. Anahory,
S. Roorda et F. Schiettekatte,
Phys. Rev. B 71, 134205 (2005).
• “Energy landscape around a minimum in a-Si”, F. Valiquette et N. Mousseau,
Phys. Rev. B 68, 125209 (2003).
• “Evolution of the potential-energy surface of amorphous silicon”,
H. Kallel et N. Mousseau,
in preparation.
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