Laboratoire de Photonique et de Nanostructures
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élaboration et Physique des Structures épitaxiées > Analysis and modelling of nanostructures
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Puce Groupe ELPHYSE

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Objectives

  • Structural and compositional characterization, down to the atomic scale, of heterostructures and nanostructures
  • Structure and composition measurements for modelling the growth and the optical properties of nanostructures
  • Calculate static atomic displacements and elastic strain fields in alloys and nanostructures, for studies of local order, quantitative TEM analysis and atomistic modelling



Presentation

Structural and chemical analyses on the one hand, modelling on the other, are two essential components of most of the research actions lead by the ELPHYSE group. In addition, analyses and modelling are applied to many systems and samples not produced in LPN.


Quantitative analyses
Quantitative structural and chemical analyses are carried out by transmission electron microscopy (TEM) and X ray diffraction (XRD). Thanks to the acquisition of a versatile Cs-corrected TEM/STEM in 2008, we now routinely perform imaging at the scale of the atomic column and nanoanalysis. In particular, we use atomically-resolved High Angle Annular Dark Field (HAADF) images to study nanocrystals, interfaces and inhomogeneities. We also acquired an X-ray diffractometer equipped with a rotating anode and a 7-axes goniometer, with which we now perform grazing incidence XRD, texture determination and high resolution experiments, thereby widening the field of our XRD studies from 2D to 1D and 0D nanostructures.

Modelling
In addition to modelling the nucleation and growth kinetics and the structural relaxation of nanowires (see Action Nanowires), we calculate the static atomic displacements (SDs) in alloys of compound semiconductors, based on the valence force field model,.and elastic displacements in nanostructures. These calculations contribute to a wide range of studies, carried out within LPN or via external collaborations.



Graph representing effect of the static atomic displacements on the (S)TEM high angle annular dark field (HAADF) intensity in an In<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>As alloy. HAADF images of CaF2:Yb ceramics.
Atomistic modeling shows that, in alloys with size effect, the static atomic displacements need to be taken into account to analyze quantitatively high angle annular dark field (HAADF) STEM images. Variation with specimen thickness t of the ratio of HAADF intensities from an InxGa1−xAs alloy and GaAs, calculated with (full lines) or without (dashes) static displacements. The calculations for three In concentrations x (0.05, 0.12, 0.24) are compared with measurements on quantum wells (squares). Coll. with V. Grillo and E. Carlino, TASC Institute INFM, Trieste, and Center s3 NANO CNR, Modena (Italy).



Highlights

  • Evidence of clustering and segregation of rare-earth dopants in fluoride single crystal and ceramics
  • Analysis of columnar quantum dots grown on GaAs
  • Characterization of nanocrystals formed by biomineralization during ancient hair dyeing
  • Phase separation in epitaxial (B,Ga)N alloys
  • Demonstration of Bi pairing in Ga(Bi,As) alloys
  • Implementation of a versatile Cs-corrected TEM
  • Quantitative HAADF image simulation with size effect



Collaborations

  • J. Castaing, P. Walter, C2RMF, Paris
  • M. Mortier, ENSCP, Paris
  • A. Ougazzaden, Georgia Tech Metz
  • A. Fiore, formerly EPFL, Lausanne, now TU Eindhoven
  • J. L. Maurice, formely UMR CNRS-Thales, now LPICM
  • J. Decobert, Alactel-Thales III-V Lab, Marcoussis
  • G. Ciatto, formerly ESRF, now Synchrotron Soleil
  • T. Tiedje, University of Victoria, Canada
  • V. Grillo, INFM-CNR, Centre S3, Modène, Italie
  • O. Pagès, LPMD, Université de Metz
  • J. M. Jancu, formerly LPN, now FOTON, INSA Rennes
  • J. Ferré, A. Thiaville, LPS, Orsay


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Puce Membres

Contacts

 Patriarche Gilles  (+33) 1 69 63 61 73  
 Glas Frank  (+33) 1 69 63 60 79  
 Largeau Ludovic  (+33) 1 69 63 61 74  

Et aussi...

 Mauguin Olivia  (+33) 1 69 63 61 07  
 Harmand Jean-Christophe  (+33) 1 69 63 60 81  
 Sagnes Isabelle  (+33) 1 69 63 61 71  
 Ramdane Abderrahim  (+33) 1 69 63 61 50  

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Puce Brevets

  • Heterostructures semiconductrices monolithiques epitaxiees et leur procede de fabrication (International Application No.: PCT/FR2008/051669), G. Saint-Girons, L. Largeau, G. Patriarche, P. Regreny, G. Hollinger, FR 2008/051669, (2008-09-17)
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Puce Publications

Publications dans des journaux
Publications dans des livres
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Puce Contrats et projets

    Puce Projets Internationaux

      ILNACS : Nanostructures of Compound Semiconductors (Growth, properties, devices)

      Référence de contrat : Laboratoire International Associé (LIA) CNRS - Université de Montpellier - INSA Toulouse / Académie des Sciences de Russie - Fondation Russe pour la Recherche Fondamentale
      Responsable(s) LPN : Frank Glas
      Principaux objectifs : Coordonner et développer les collaborations scientifiques entre les laboratoires du CNRS et les laboratoires et instituts de l'académie des sciences russe basés à Saint-Petersbourg dans le domaine de la croissance et de l'étude des propriétés physiques des nanostructures de semiconducteurs composés, et des composants basés sur ces structures. (2010-2013)

      ZODIAC : Zero Order Dimension based Industrial components Applied to telecommunications

      Référence de contrat : NMP 2004-IST-NMP-3
      Responsable(s) LPN : Abderrahim Ramdane, Anthony Martinez
      Principaux objectifs : Développement de lasers à modulation directe et d’amplificateurs optiques à base de boîtes quantiques InAs/GaAs et InAs/InP pour des applications en télécommunication optiques (2005-2008). (2005-2008)

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    Puce ANR non thématiques

      VESUVE : ANR Blanc 2011 - laser en microcavité verticale émettant par la surface dans la gamme de l'ultra-violet

      Référence de contrat : ANR Blanc SIMI3 - VESUVE
      Coordinateur, Partenaire(s) : A. Ougazzaden (UMI- Georgia Tech-CNRS ), J. Leymarie (LASMEA ), F. Genty (SUPELEC-Metz )
      Responsable(s) LPN : Sophie Bouchoule, Anthony Martinez, Abderrahim Ramdane, Gilles Patriarche
      Principaux objectifs : Along with visible and IR spectroscopy, UV and deep-UV (DUV) laser absorption spectroscopy is extensively used for chemical and biochemical sensing. However, the primary limitation of current UV optical sensors is the existing sources of UV light. The replacement of the wide-spectrum deuterium-halogen or filtered narrow-band mercury discharge lamps, by more compact and reliable sources would be extremely attractive. In this context, the objective of VESUVE project is to develop a semiconductor-based surface emitter operating in the deep-UV range, using novel wide-bandgap materials systems including BAlN and (In)AlGaN semiconductors. VESUVE project plans to demonstrate at first an optically-pumped UV-VCSEL emitting at 280 nm. RC-LEDs and VCSELs with (In)AlGaN/Al(Ga)N –based active region and combining both AlN/BalN semiconductor Bragg mirrors and dielectric mirrors will be developed. Lasers in external-cavity configuration (VECSEL) will also be envisaged. The OP-VCSEL is a first step towards the development of next-generation optical sensor systems with coherent, reliable, and low-power consuming UV light source components. Partners: UMI-Metz (project leader), LPN, Supelec-Metz, LASMEA. Duration: 01/2012-12/2014. (2012-2014)

      PEROCAI : Perovskites en Cavité

      Référence de contrat : ANR Blanc 2010 (ANR-10-04)
      Coordinateur, Partenaire(s) : E. Deleporte (LPQM ), J. Even (FOTON ), P. Audebert (PPSM )
      Responsable(s) LPN : Karine Gauthron, Jacqueline Bloch, Sophie Bouchoule
      Principaux objectifs : Les microcavités verticales (de type Pérot-Fabry) fonctionnant dans le régime de couplage fort sont très étudiées dans le contexte du laser à polariton et de la condensation de Bose-Einstein en phase solide. Les effets de cohérence et de stimulation ont été récemment démontrés dans les semiconducteurs inorganiques "conventionnels", les effets physiques sont observés à basse température dans ces structures. Dans ce projet, nous proposons d'utiliser des puits quantiques organique-inorganique comme matériau actif dans des microcavités verticales pour démontrer l'existence d’effets stimulés à température ambiante. Les puits quantiques moléculaires utilisés dans cette étude appartiennent à la famille des pérovskites, des molécules hybrides organique-inorganique. Parce que le régime de couplage fort en microcavités verticales a été atteint à température ambiante et parce que l'énergie de l'exciton peut être facilement adaptée, les couches de pérovskite sont de bons candidats pour être utilisées comme matériau actif dans des microcavités verticales et pour étudier les effets polaritoniques. La physique de ces nouveaux polaritons est inexplorée. Par conséquent, nous allons étudier la dynamique et les effets de relaxation de ces polaritons. Enfin, nous mènerons des expériences destinées à observer des effets stimulés sur ces états de polariton. Ce dernier objectif nécessitera de développer une approche technologique permettant d’insérer le matériau perovskite organique dans une cavité de grande finesse. Partenaires : LPQM-ENS Cachan (porteur), LPN, PPSM-ENS Cachan, FOTON-INSA Rennes (2010-2014)

      NEWPVONGLASS : Nitrures III-V déposés sur verre pour un watt PhotoVoltaïque intéGré à l’habitat bas coût et très haut rendement

      Référence de contrat : ANR HABISOL
      Responsable(s) LPN : Abderrahim Ramdane, Anthony Martinez
      Principaux objectifs : Réalisation de cellules solaires à haute efficacité et bas coût à base de InGaN élaboré sur substrat de silicium et de verre (2009-2012)

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    Puce ANR jeunes chercheurs

      BOTOX : BOîtes quantiques épiTaxiées dans une matrice d’OXyde de grand gap pour des applications en nanophotonique

      Référence de contrat : ANR jeunes chercheurs
      Coordinateur, Partenaire(s) : G. Saint-Girons (INL ),
      Responsable(s) LPN : Gilles Patriarche, Ludovic Largeau
      Principaux objectifs : L’objectif de ce projet est d’aboutir à la maîtrise de l’épitaxie de boîtes quantiques III-V dans une matrice épitaxiale d’oxyde de grand gap. Il débouchera sur la mise au point de protocoles d’épitaxie et d’encapsulation de ces nanostructures, ainsi que sur une description détaillée de leurs mécanismes de formation et de leurs propriétés structurales et optiques. Il conduira aussi à l’évaluation des propriétés physiques de ces nanostructures vis à vis de deux types d’applications : les microsources photoniques à base de microrésonateurs en anneau et à cristaux photoniques, et les source à boîtes quantiques uniques pour la cryptographie quantique. (2006-2009)

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    Puce ANR PNANO

      NANOCHEOPS : NANOréacteurs dans les CHEveux : étude OPtoélectronique et application a la Sauvegarde des objets à base de kératine

      Référence de contrat : ANR PNANO
      Coordinateur, Partenaire(s) : P. Walter (C2RMF ), J. Zyss (LPQM )
      Responsable(s) LPN : Gilles Patriarche
      Principaux objectifs : Ce projet pluridisciplinaire vise à comprendre dans quelle mesure la matrice amorphe du cheveu peut être considérée comme un ensemble de nanoréacteurs. Cette matrice, bien moins étudiée que la partie ordonnée en ‘hélices alpha’ peut jouer un rôle central dans des contextes très différents. Les nanoréacteurs sont d’une part à l’origine des phénomènes de dégradation des œuvres des musées à base de kératine (tapisseries, objets archéologiques et ethnographiques, momies) et, d’autre part, permettent la préparation de nanocristaux de sulfures métalliques, semi-conducteurs et auto organisés. En réalisant différents traitements en milieu alcalin par des sels de plomb, cadmium ou mercure, on étudiera les propriétés des boites quantiques formées dans le cheveu et l’importance de leur auto organisation le long de l’axe de la fibre. Il sera ainsi possible de rechercher des matériaux équivalents (biomimétisme) et de mieux comprendre les raisons historiques d’un emploi prolongé pour la teinture des cheveux de techniques qualifiées aujourd’hui de nanotechnologies. Cette étude nécessitera la mise au point de méthodes de caractérisation de systèmes complexes, en combinant des approches physico-chimiques qui tiennent compte de la spécificité des propriétés des particules inorganiques (absorption, luminescence) et des propriétés chimiques de la matière organique, d’origine biologique et issue d’une série d’assemblages supramoléculaires de protéines à des échelles allant du nanomètre au micromètre. (2009-2012)

      BIQUINIS : Boîtes quantiques d'InAs insérées dans une matrice de silicium

      Référence de contrat : ANR PNANO
      Responsable(s) LPN : Gilles Patriarche, Ludovic Largeau
      Principaux objectifs : L’objectif du projet est d’ouvrir la voie au développement d’une filière optoélectronique à base de boîtes quantiques (BQ) III-V insérées dans une matrice de silicium et donc de viser la fonction « émission de lumière » pour la filière silicium. Une des limitations possibles à un tel développement provient de la nature probable de type II de l’interface InAs/Si. Le but de ce projet sera, le cas échéant, de contourner cette limitation. Il s’agira donc d’abord d’étudier les propriétés physiques de telles BQ d’InAs/Si, tant d’un point de vue expérimental que théorique. On déterminera en particulier le type d’offset à l’interface entre le silicium (semiconducteur à gap indirect) et l’InAs (semiconducteur III-V à gap direct).Pour favoriser, le cas échéant, une interface de type I, l’originalité de notre projet consistera à insérer les BQ d’InAs dans un puits quantique de silicium fabriqué à partir d’un substrat SOI. Ce sont les effets attendus de confinement du silicium qui favoriseront une interface de type I avec l’InAs. Il sera nécessaire de développer la croissance EJM auto-organisée de BQ d’InAs sur substrat silicium et substrat SOI aminci et leur encapsulation, en optimisant l’émission autour de 1,3?m. Un démonstrateur de type microdisque sur substrat SOI contenant un plan de boîtes InAs insérées dans un puits quantique de silicium sera fabriqué puis testé, afin d’évaluer les potentialités de cette filière pour réaliser des émetteurs de lumière sur silicium. (2008-2010)

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    Puce Projets CNRS

      RELAX : Relaxation des contraintes dans les couches minces épitaxiées

      Référence de contrat : CNRS-GdR
      Coordinateur, Partenaire(s) : A. Rocher (Universite De Perpignan )
      Responsable(s) LPN : Frank Glas
      Principaux objectifs : Coordonner les recherches sur la relaxation des contraintes dans les couches nanométriques épitaxiées. Interactions entre les communautés s'intéressant respctivement aux semiconducteurs, métaux et oxydes. Rôle des contraintes dans la nanostructuration, chimie de l'interface, détermination expérimentale des déformations dans les systèmes 2D et 3D (1998-2005)

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Puce Stages passés et en cours

Thèse

Stage


  • Collage hétéroépitaxial pour l’intégration hybride de dispositifs photoniques nano structurés

    • Niveau : Master2
    Contact : G. Patriarche , A. Talneau
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
                Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
    En savoir plus
    Le futur de l’optique intégrée passe par l’intégration sur Silicium, pas seulement comme plate-forme d’intégration où les différents composants individuels sont reportés, mais aussi pour mettre à profit les très bonnes performances des guides en silicium sur SiO2 – SoI – aux longueurs d’onde télécom. Par ailleurs, les matériaux semi-conducteurs III-V à base de Phosphure d’Indium ont de très bonnes propriétés d’émission/amplification dans le domaine spectral 1.55µm. Le LPN propose d’étudier le collage hétéroépitaxial de matériaux à base d’InP sur le Silicium, et ce sans couche intermédiaire de façon à préserver toute nanostructuration que l’on aura dessiné dans un des matériaux. Le LPN a acquis une presse équipée d’un four dans lequel on étudie le collage sans couche intermédiaire. On reconstruit ainsi la structure cristalline à l’interface des deux matériaux. De premiers résultats concluants montrent le collage d’un substrat InP sur Si. Il faut maintenant aborder le collage de structures contenant des puits quantiques pour pouvoir ensuite réaliser des dispositifs émetteurs/amplificateurs de lumière. Au cours du stage, le candidat étudiera et réalisera les préparations de surface, les collages et les caractérisations des surfaces collées. Une thèse pourra être proposée à la fin de ce stage dans le cadre du projet ANR COHEDIO.

  • Nanostructuration périodique d'une surface de GaAs grâce à un réseau de dislocations sous-jacent

    • Niveau : Master2
    Contact : G. Patriarche , G. Saint-Girons
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    La structuration contrôlée de la surface, à l'échelle nanométrique, d'un matériau semiconducteur est un enjeu technologique qui pourrait avoir d'importantes applications. Une surface structurée de la sorte devrait permettre l'organisation régulière de boîtes quantiques (BQs) déposées par croissance épitaxiale. Les tailles de ces BQs seraient plus homogènes et on pourrait mieux contrôler leur densité. Ainsi, il serait possible par exemple d'augmenter la densité des BQs d'InGaAs déposées sur GaAs par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM - MOVPE en anglais), afin d'obtenir l'effet laser à la longueur d'onde télécom de 1,3 µm (employée pour les transmissions optiques au sein des réseaux métropolitains). Pour parvenir à une telle structuration de surface, on peut utiliser les modulations périodiques de l'énergie élastique stockée en surface et induites par un réseau périodique de dislocations faiblement enterrées. En effet, il a été prédit que les zones à forte énergie élastique stockée sont des sites de gravure chimique préférentielle. Un avantage notable de cette méthode est qu'une seule étape est nécessaire pour obtenir sur l'ensemble de l'échantillon une structure périodique avec, de plus, un pas pouvant être bien inférieur à ceux accessibles en lithographie. Sa faisabilité a été démontrée expérimentalement sur substrat de silicium. L'objectif de ce stage est de trouver les conditions de gravure chimique permettant d'obtenir des résultats similaires sur substrat de GaAs. L'étudiant participera à la réalisation des substrats de GaAs porteurs d'un réseau de dislocations ainsi qu'à leurs caractérisations structurales (par microscopie à force atomique et par microscopie électronique en transmission) avant et après gravure de la surface. Ce travail pourra être poursuivi dans le cadre d'une thèse.

  • Etude structurale de couches d'alliages semiconducteurs III-V nitrurés

    • C. Bondoux-(2000-04-01 / 2000-10-01)
    Niveau : Master2
    Contact : G. Patriarche
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    DEA de l'Université de Caen

  • Influence du collage épitaxial sur un puits quantique d'InGaAs situé près de l'interfac

    • J. Coelho-(2012-09-12 / 2006-09-12)
    Niveau : Licence
    Contact : I. Sagnes
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    Stage de licence, Université de Paris XI

  • Caractérisation par diffraction X de semi-conducteurs III-V épitaxiés sur substrat de silicium

    • V. Berger-(2003-04-07 / 2003-06-27)
    Niveau : DUT
    Contact : L. Largeau
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    Stage de DUT Mesures Physiques
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Mis à jour le
05/07/2012

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