É́tude sur la cinétique des défauts structuraux dans le silicium amorphe

Abstract

Cette thèse présente à la fois des résultats de simulations numériques en plus de ré- sultats expérimentaux obtenus en laboratoire sur le rôle joué par les défauts de structure dans le silicium amorphe. Nos travaux de simulation numérique furent réalisés avec une nouvelle méthode de simulation Monte-Carlo cinétique pour décrire l’évolution tempo- relle de modèles de silicium amorphe endommagés sur plusieurs échelles de temps jus- qu’à une seconde à la température pièce. Ces simulations montrent que les lacunes dans le silicium amorphe sont instables et ne diffusent pas sans être détruites. Nous montrons également que l’évolution d’un modèle de silicium amorphe endommagé par une colli- sion ionique lors d’un recuit peut être divisée en deux phases : la première est dominée exclusivement par la diffusion et la création/destruction de défauts de liaison, alors que la deuxième voit les créations/destructions de liens remplacées par des échanges de liens entre atomes parfaitement coordonnés. Les défauts ont aussi un effet sur la viscosité du silicium amorphe. Afin d’approfondir cette question, nous avons mesuré la viscosité du silicium amorphe et du silicium amorphe hydrogéné sous l’effet d’un faisceau d’ions. Nous montrons que la variation de la viscosité dans les deux matériaux est différente : le silicium amorphe hydrogéné a une viscosité constante en fonction de la fluence des ions alors que le silicium amorphe pur a une viscosité qui augmente de façon linéaire. Pour de faibles fluences, la viscosité du silicium hydrogéné est plus grande que la viscosité sans hydrogène. La présence d’hydrogène diminue également l’amplitude de la variation logarithmique de la contrainte observée lors de la relaxation à la température de la pièce.

This thesis presents the results of both computational and experimental studies on the role of structural defects in amorphous silicon. The computational work was done using a novel kinetic Monte-Carlo method to simulate the time evolution of defective models of amorphous silicon over timescales reaching one second at room temperature. These simulations show that the vacancy in amorphous silicon is unstable and does not diffuse without being annihilated. We also show that the annealing behavior of an ion-damaged model of amorphous silicon can be divided in two phases: the initial one being dom- inated exclusively by the diffusion and rapid creation/annihilation of bond defects, the other one with bond defect creation/annihilation being progressively replaced by bond exchanges from perfectly coordinated atoms. Defects also have an effect on the viscosity amorphous silicon. To explore this further we mesure the radiation-enhanced viscosity of pure and hydrogenated amorphous silicon under the effect an ion-beam. We show the change in viscosity is different, the hydrogenated samples having a constant density while the pure amorphous silicon samples having a viscosity that increases linearly with ion fluence. At low fluence, the viscosity of hydrogenated amorphous silicon is higher than the viscosity of pure amorphous silicon. The presence of hydrogen also reduces the amplitude of the logarithmic stress change observed during annealing at room tempera- ture.