Tesi sul tema "Cristallisation en couche"

Etude des effets de dopage par implantation de bore et de phosphore. Etude du role des defauts d'irradiation dans des couches implantees au silicium. Les couches implantees et non implantees sont cristallisees en phase solide par recuit thermique a basse temperature. Etude de la taille des grains, de la texture, de la morphologie de surface et de la conductivite electriques des couches en fonction de la concentration d'ions implantes

L'objectif de ce travail de thèse est l'élaboration du silicium polycristallin en phase liquide, sur substrat de verre borosilicate, en utilisant l'irradiation par laser continu de forte puissance d'un film de silicium amorphe. Des simulations numériques modélisant l'interaction laser-silicium amorphe ont été effectuées grâce à un modèle que nous avons développé sur l'outil COMSOL. Nous avons ainsi pu suivre l'évolution des transferts thermiques dans les différentes structures Si/verre irradiées par laser et ainsi pu évaluer l'impact des paramètres expérimentaux tels que la vitesse de balayage, la puissance du laser, la température du substrat sur les seuils de transition de phase du Si amorphe (fusion, cristallisation, évaporation). Ces résultats de simulation ont été confrontés à des données réelles obtenues en réalisant différentes expériences d'irradiation de films Si amorphe. Les résultats de cette comparaison ont été largement discutés. Dans une deuxième partie, nous avons étudié les propriétés structurales et morphologiques de films Si polycristallin obtenus par l'irradiation laser de films Si amorphe. En particulier, nous avons mis en évidence les effets de la présence d'impuretés tels que l'hydrogène ou l'argon présent dans les couches Si amorphe préalablement au traitement laser. Nous avons également montré que la croissance des cristaux silicium s'opère par épitaxie à partir d'un effet de gradient thermique latéral et longitudinal, produit respectivement par le profil énergétique du faisceau laser et la diffusion thermique par conduction, et par convection thermique dans la direction de balayage. L'optimisation des conditions opératoires nous a permis de réaliser des films Si polycristallin à larges grains, jusqu'à plusieurs centaines de µm de long sur plusieurs dizaines de µm de large. Ces structures sont très intéressantes pour des applications en électronique et en photovoltaïque.

Ces travaux de thèse ont porté sur l’étude du système LaCoO3 élaboré sous forme de couches minces par pulvérisation cathodique magnétron réactive. La première partie de ce travail est dédiée à l’étude des paramètres de synthèse permettant l’obtention d’un film homogène cristallin. Les influences sur la transition thermochrome des paramètres de traitement thermique et de la pression de dépôt sont discutées. Nous avons montré qu’il était possible de contrôler le rapport entre les phases cubique et rhomboédrique ainsi que la taille des cristallites en optimisant les paramètres de synthèse. Dans une seconde partie, nous avons étudié en détail les changements de propriétés de nos échantillons à l’aide du rayonnement synchrotron et de la microscopie électronique en transmission. Nos mesures ont montré que la phase cubique et la taille de cristallites influent le spin des atomes de cobalt et donc sur la nature des liaisons Co-O. Nous avons mis en évidence qu’une microstructure fine et une phase rhomboédrique augmentent l’effet thermochrome et l’amplitude optique de la transition grâce à une augmentation de la densité de population au niveau de Fermi et une diminution du gap optique
The present PhD work is focused on the study of the LaCoO3 system deposited as a thin film by reactive magnetron sputtering. The first part of this work is dedicated to the influence of the deposition parameters on the film structure. The influences of heat treatment parameters and deposition total pressure on the thermochromic transition are discussed. We have shown that it is possible to control the ratio between the cubic and rhombohedral phases as well as the size of the crystallites through the control of our parameters. In a second part, we studied in detail the properties changes using synchrotron radiation and transmission electron microscopy. Our measurements have shown that the cubic phase and the crystallites size influence the spin of cobalt atoms and therefore the nature of the Co-O bonds. We have shown that a fine microstructure and a rhombohedral phase increase the thermochromic effect and the optical switch of the transition thanks to an increase in the population density at the Fermi level and a decrease of the optical gap

Ce travail porte sur l’étude d’un procédé de purification de l’eau usée par congélation en couche sur paroi froide. Plusieurs études montrent que la croissance de la couche de glace dépend des caractéristiques de la phase liquide (concentration initiale en soluté, température du liquide, etc) et des paramètres opératoires (vitesse de refroidissement, ensemencement, sous-refroidissement et circulation de la phase liquide, etc). En revanche, la distribution du soluté dans la phase solide, un facteur crucial pour améliorer la performance du procédé, a été peu étudiée. Une conduite précise et rigoureuse du procédé est donc nécessaire pour obtenir une pureté de la glace bien maîtrisée. Pour atteindre cet objectif, cette thèse comporte une partie expérimentale et une partie de modélisation. Dans la partie expérimentale, le mélange H2O-NaCl a été choisi comme solution modèle. Un dispositif expérimental de cristallisation sur paroi froide a été spécifiquement conçu pour ce travail. Le montage est instrumenté avec des capteurs de température et de conductivité thermique, une caméra permet également de suivre in situ la croissance de la glace au cours des manipulations. Après une recherche bibliographique sur le principe de la cristallisation et la mise en œuvre du procédé, une série de manipulations pour une étude paramétrique a été réalisée. La croissance dendritique a été observée avec une vitesse de croissance élevée. Ce phénomène est dépendant de l’effet de convection, du sous-refroidissement, du gradient de température dans la phase liquide ainsi que de la concentration initiale de la solution à purifier. Pour la partie modélisation, la méthode du champ de phase a été choisie. Elle permet de simuler la morphologie et la cinétique de croissance du solide, l’inclusion de liquide (poches et interstices) dans le solide, ainsi que la phase liquide. Les simulations permettent de mieux comprendre les phénomènes intervenant lors de la cristallisation, tels que l’incorporation d’impuretés dans la glace. Cette méthode, peu utilisée dans le domaine du génie des procédés, a été d'abord appliquée à la congélation d’un corps pur (eau/glace) pour comprendre les équations et étudier les paramètres du modèle. Ce modèle a ensuite été élargi à la congélation d’un mélange binaire (H2O-NaCl), correspondant au produit choisi pour l’expérimentation. Afin de respecter la cohérence thermodynamique de cette méthode, le modèle de Pitzer a été choisi pour prédire l’équilibre et les propriétés thermodynamiques. A partir de ces bases de données thermodynamiques, les équations de bilan de matière, de bilan thermique et de champ de phases sont résolues. Les effets du sous-refroidissement, de la concentration et de l’anisotropie sur la croissance dendritique des cristaux sont comparés et discutés. Ce travail innovant a démontré la pertinence de la méthode des champs de phase, jusqu’alors peu développée en génie des procédés. Cette méthode permet de décrire les phénomènes développés à l’interface liquide/solide, de prédire le comportement de la phase solide pour limiter les phénomènes d’incorporation de soluté dans la glace et plus généralement de comprendre les phénomènes mis en jeu lors de l’étape de cristallisation
This work focuses on studying a wastewater purification process by freezing on a cold wall. Several studies show that the growth of the ice layer depends on the characteristics of the liquid phase (solute concentration, liquid temperature, etc.) and the experimental conditions (cooling rate, seeding, supercooling, and liquid phase circulation, etc.). However, the solute distribution in the solid phase, a crucial factor for improving the process performance, has been the focus of few studies. Therefore, precise and rigorous control of the process is necessary to achieve well-controlled ice purity. To achieve this goal, this thesis includes an experimental part and a modeling part. In the experimental part, the H2O-NaCl mixture was chosen as the model solution. An experimental setup for crystallization on a cold wall was specifically designed for this work. The setup is equipped with temperature and thermal conductivity sensors, and a camera is used to monitor the in-situ growth of ice during the manipulations. After a bibliographical study on the principle of crystallization and the implementation of the process, a series of manipulations for a parametric study was carried out. Dendritic growth was observed with a high growth rate. This phenomenon depends on the effect of convection, supercooling, the temperature gradient in the liquid phase, and the initial concentration of the solution to be purified. For the modeling part, the phase-field method was chosen. This method allows simulating the morphology and growth kinetics of the solid, the inclusion of liquid (pockets and interstices) in the solid, as well as the liquid phase. The simulations help better understand the phenomena occurring during crystallization, such as the incorporation of impurities into the ice. This method, rarely used in chemical engineering, was first applied to the freezing of a pure substance (water/ice) to understand the equations and study the model's parameters. This model was then extended to the freezing of a binary mixture (H2O-NaCl), corresponding to the product chosen for the experiment. To asses the thermodynamic consistency of this method, the Pitzer model was chosen to predict equilibrium and thermodynamic properties. Based on this thermodynamic data, the mass balance, thermal balance, and phase-field equations are solved. The effects of supercooling, concentration, and anisotropy on the dendritic growth of crystals are compared and discussed. This innovative work has demonstrated the relevance of the phase-field method, which has been little developed in chemical engineering until now. This method allows describing the phenomena occurring at the liquid/solid interface, predicting the behavior of the solid phase to limit the incorporation of solute into the ice, and more generally, understanding the phenomena involved during the crystallization step

Les semiconducteurs III–V sont des matériaux de choix pour la production d’électricité ou pour l’éclairage. En revanche, ce sont des matériaux difficiles à mettre en œuvre sous la forme de couches minces bidimensionnelles par hétéro-épitaxie en raison des forts écarts de paramètres de mailles et de coefficient d’expansion thermique avec les substrats. Il en résulte notamment de nombreuses dislocations très préjudiciables pour les propriétés de ces semiconducteurs. Une manière pour réduire cette quantité de défauts est d'utiliser le semiconducteur sous la forme de nanostructures, telles que les nanofils.Nous démontrons dans cette thèse de doctorat qu’un film polycristallin de silicium, s’il est doté d’une texture de fibre [111], est un candidat de choix pour jouer le rôle de substrat couche mince pour la croissance épitaxiale de nanofils orientés, sur un support amorphe. Un tel film peut être obtenu à grande échelle par cristallisation du silicium amorphe induite par l’aluminium. L’utilisation d’une couche très mince (moins de 10 nm) permet alors de profiter avantageusement des propriétés optiques du substrat.Pour de nombreuses applications, il peut être profitable de pouvoir localiser les nanofils selon un schéma prédéfini. Nous démontrons que cet objectif peut être réalisé grâce à l’emploi de plaquettes monocristallines de Si de quelques dizaines de nanomètres de diamètre. La cristallisation de ces véritables nano-substrats est tout d’abord étudiée en détails afin d’élaborer une recette robuste de fabrication. Dans un second temps, nous démontrons le concept de croissance de nanofils sur ces minces cristaux lithographiés
III–V semiconductors are materials of interest for energy production and lighting. However, these materials are difficult to grow by heteroepitaxy because of their lattice and thermal expansion coefficient mismatches with substrates. The resulting dislocations are extremely detrimental to their electronic properties. Nanostructures like nanowires relax efficiently the strain, thanks to their lateral free surfaces. Thus, they improve the material quality compared to planar thin films.In this PhD thesis, we demonstrate that a [111] fiber-textured polycristalline silicon layer film can be an efficient thin film substrate for oriented nanowire growth on an amorphous support. Such a film can be obtained by using the aluminum-induced crystallization of amorphous silicon. The optical and physical properties of the substrate are conserved by using a very thin Si layer (less than 10-nm thick).For many applications, organizing the nanowires in an array can be favorable. We demonstrate that this goal can be achieved by using small single crystal Si platelets (up to 100 nm in diameter). In a first time, the crystallization of these “nano-substrates” is comprehensively studied in order to define precise fabrication recipes. In a second time, we prove the concept of nanowire growth on these thin lithographed crystals

Les semiconducteurs III–V sont des matériaux de choix pour la production d’électricité ou pour l’éclairage. En revanche, ce sont des matériaux difficiles à mettre en œuvre sous la forme de couches minces bidimensionnelles par hétéro-épitaxie en raison des forts écarts de paramètres de mailles et de coefficient d’expansion thermique avec les substrats. Il en résulte notamment de nombreuses dislocations très préjudiciables pour les propriétés de ces semiconducteurs. Une manière pour réduire cette quantité de défauts est d'utiliser le semiconducteur sous la forme de nanostructures, telles que les nanofils.Nous démontrons dans cette thèse de doctorat qu’un film polycristallin de silicium, s’il est doté d’une texture de fibre [111], est un candidat de choix pour jouer le rôle de substrat couche mince pour la croissance épitaxiale de nanofils orientés, sur un support amorphe. Un tel film peut être obtenu à grande échelle par cristallisation du silicium amorphe induite par l’aluminium. L’utilisation d’une couche très mince (moins de 10 nm) permet alors de profiter avantageusement des propriétés optiques du substrat.Pour de nombreuses applications, il peut être profitable de pouvoir localiser les nanofils selon un schéma prédéfini. Nous démontrons que cet objectif peut être réalisé grâce à l’emploi de plaquettes monocristallines de Si de quelques dizaines de nanomètres de diamètre. La cristallisation de ces véritables nano-substrats est tout d’abord étudiée en détails afin d’élaborer une recette robuste de fabrication. Dans un second temps, nous démontrons le concept de croissance de nanofils sur ces minces cristaux lithographiés
III–V semiconductors are materials of interest for energy production and lighting. However, these materials are difficult to grow by heteroepitaxy because of their lattice and thermal expansion coefficient mismatches with substrates. The resulting dislocations are extremely detrimental to their electronic properties. Nanostructures like nanowires relax efficiently the strain, thanks to their lateral free surfaces. Thus, they improve the material quality compared to planar thin films.In this PhD thesis, we demonstrate that a [111] fiber-textured polycristalline silicon layer film can be an efficient thin film substrate for oriented nanowire growth on an amorphous support. Such a film can be obtained by using the aluminum-induced crystallization of amorphous silicon. The optical and physical properties of the substrate are conserved by using a very thin Si layer (less than 10-nm thick).For many applications, organizing the nanowires in an array can be favorable. We demonstrate that this goal can be achieved by using small single crystal Si platelets (up to 100 nm in diameter). In a first time, the crystallization of these “nano-substrates” is comprehensively studied in order to define precise fabrication recipes. In a second time, we prove the concept of nanowire growth on these thin lithographed crystals

L'objectif de ce travail est d'elaborer des transistors en couches minces en silicium polycristallin a gros grains, a partir de couches amorphes de haute purete realisees dans un reacteur de type uhvcvd et cristallisees thermiquement en phase solide. Les materiaux amorphes elabores a partir du gaz disilane, decompose a des temperatures variant de 460 a 540c, sont compares aux depots a base de gaz silane obtenus par pyrolyse a 550c. Les analyses sims revelent que les concentrations en oxygene et en carbone dans ces depots sont de plus de deux ordres de grandeur inferieures a celles rapportees dans la litterature pour des depots lpcvd. Par spectrometrie raman, nous montrons que pour une vitesse de depot identique, le silicium amorphe realise a partir du gaz disilane presente un degre de desordre structural superieur au silicium amorphe genere par le gaz silane. La cristallisation en phase solide des couches amorphes de haute purete est ensuite etudiee. L'evolution de la texture <111> des couches polycristallines en fonction des conditions de depot est determinee par diffraction de rayons x dans la configuration (-2). Une methode de suivi in situ (dans le four de recuit) de l'evolution de la conductance des couches, en fonction de la duree de recuit, combinee avec des observations en microscopie electronique de la variation de la taille des grains, pour differentes temperatures de cristallisation, nous permet de remonter aux energies d'activation du taux de nucleation, e#n, et de la vitesse de croissance, e#g, des cristallites. Les valeurs de e#n et e#g sont en bonne correlation avec la difference de taille de grains (plus d'un ordre de grandeur) observee entre les couches a base de silane et celles a base de disilane. Finalement nous montrons que l'utilisation du gaz disilane permet d'ameliorer les caracteristiques electriques (mobilite, tension de seuil, pente sous le seuil) des transistors en couches minces en silicium polycristallin

La premiere partie de cette these est consacree a la cristallisation de proteines a la surface de l'eau. Les etapes de formation des cristaux 2-d de proteines sont mises en evidence par ellipsometrie et mesure de la constante elastique de cisaillement. Des correlations sont etablies entre mesures physiques et observation en microscopie electronique apres transfert des cristaux. Quatre proteines differentes ont ete etudiees par diffraction des rayons x en incidence rasante sur un montage haute resolution. Trois d'entre elles, l'annexine v, la hupr marquee par une sequence d'histidines et la streptavidine presentent un spectre de diffraction montrant des pics de bragg fins. La longueur de coherence des cristaux est au moins de 4 m. La meilleure resolution dans le plan de l'interface est 9 a, atteinte avec la streptavidine pour laquelle 19 pics ont ete detectes. Les experiences de diffraction ont montre que les cristaux 2-d de proteines sont rapidement endommages par les rayons x. Nous mettons egalement en evidence des effets de l'addition de glutaraldehyde (cross-linker des proteines) : celui-ci augmente la rigidite laterale des monocouches, la resolution atteinte en diffraction x et diminue le dommage par irradiation. Dans la seconde partie, nous presentons des observations de microscopie de fluorescence de domaines solides en croissance dans des monocouches d'alcool, etalees sur une sous-phase contenant des molecules solubles et amphiphiles d'acide octanoique (pka=4,9). Les morphologies sont fortement branchees quand ph>pka et assez compactes dans le cas oppose. Pour ph