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Couches tampons Au (111) / H-Si (111)

par Allongue Philippe, Anne-Marie - publié le , mis à jour le

Participants : P. Allongue, R. Cortès et F. Maroun

Doctorants : P. Prod’homme (2005)

Quelque soit le bain d’or utilisé, une excellente épitaxie Au(111)/Si(111) est obtenue par croissance électrochimique d’or sur une surface H-Si(111) vicinale (Fig. 1a) si le potentiel de dépôt est égal à – 2V_{MSE}. La nucléation du film dépend cependant très fortement du pH de la solution de dépôt. La nucléation est sélective aux bords des marches du substrat si le dépôt est réalisé depuis une solution KAuCN pH 14. Le dépôt est constitué d’îlots d’or alignés sur les marches atomiques du substrat. La nucléation devient homogène si le dépôt est réalisé depuis une solution HAuCl_4 pH 4. Il en résulte une couche plane à l’échelle atomique et sans joint de grain visible. Les couches tampons planes Au/Si(111) sont utilisées pour les études sur les couches ferromagnétiques et les plots servent comme gabarit pour la réalisation de plots magnétiques.

Figure 1  : Vues AFM d’une surface vicinale H-Si(111) obtenue par attaque chimique anisotrope dans 40% NH_4F (a), d’un dépôt Au/Si(111) depuis une solution KAuCN pH 14 (b) et une solution HAuCl_4 pH 4 (c). Les îlots décorent les marches dans (b). Noter la planéité du film continu dans (c).

Les différents de modes de nucléation et de croissance observés en fonction du pH de la solution, sont associés à un fort dégagement d’hydrogène pendant le dépôt. A l’échelle moléculaire, la réduction des protons (Fig. 2a) induit en effet la désorption d’atomes d’hydrogène ce qui crée des sites d’adsorption préférentielle pour les adatomes d’or. La nucléation Au/Si est ainsi homogène à pH 4 (Fig. 2b, haut) car la réaction HER est peu sensible à la géométrie des sites atomiques de la surface H-Si(111). Il en résulte un film de Au continu. La réduction des protons contribue par ailleurs à la mobilité de surface Au/Au ce qui favorise la planéité des couches. A pH 14, la cinétique de la réaction de dégagement d’hydrogène devient sélective aux bords de marches car elle fait intervenir la décomposition des molécules d’eau. Il en résulte une nucléation sélective des îlots d’or aux bords des marches (Fig. 2b, bas). En l’absence d’un fort dégagement d’hydrogène, le dépôt Au/Si devient granulaire à pH 4 et moins sélectif à pH 14.

Figure 2 : (a) Schéma réactionnel du dégagement d’hydrogène sur une surface H-Si(111). (b) Schéma montrant la localisation de la nucléation Au/Si à pH 4 et 14.

Publications :
- P. Prodhomme, S. Warren, R. Cortès, H. Jurca, F. Maroun , P. Allongue, Mechanism of Gold Epitaxial growth on H-Si(111) : The determining role of hydrogen evolution, ChemPhysChem, 11 (2010) 2992-3001
- P. Prod’homme, F. Maroun, R. Cortès, P. Allongue, Electrochemical growth of ultra flat Au(111) epitaxial buffer layers on H-Si(111), Appl. Phys. Letters 93 (2008) 171901
- P. Allongue et F. Maroun, “Self-ordered electrochemical growth at single electrode surfaces,” J. Phys. Cond. Mater.18 (2006) S97
- M. L. Munford, R. Cortès et P. Allongue, “Electrochemical growth of gold on well defined vicinal H-Si(111) surfaces studied by AFM and XRD”, Surf. Sci., 537 (2003) 95 – 112.