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A. CORNET et J.-P. DEVILLE
2.3. Les grands types de reconstruction
Les semi-conducteurs (par exemple le silicium, le germanium et l’arséniure de
gallium) sont plus sensibles à la reconstruction que les métaux. En effet, les liaisons chimiques mises en jeu sont fortement covalentes et donc dirigées. Cela
signifie que leurs longueurs ne pourront pas se modifier et que les angles entre
liaisons devront obéir aux diverses hybridations possibles. Mais surtout, la rupture de telles liaisons lors de la création de la surface introduit des liaisons pendantes (dangling bonds) qui sont extrêmement coûteuses en énergie car elles
représentent des densités électroniques répulsives se faisant face. L a minimisation de l’énergie superficielle ne se fera pas par la relaxation qui suppose la dilatation ou la compression des distances interréticulaires du cristal mais grâce à
la reconstruction. Se produit alors u n changement d‘hybridation des orbitales
qui se traduit en plus par des modifications de la structure électronique et donc
des propriétés de transport au voisinage de la surface.
2.3.1. Reconstruction (2 x 1) des plans (1 1 1) et ( I 00) du silicium
Pour la face (1 1 1) c’est la structure qu’on obtient en faisant un clivage sous vide
du silicium. La simple troncature d u réseau [structure (1 x 111 introduit des
liaisons pendantes rapprochées qui ne sont pas acceptables du point de vue
énergétique (Fig. 1. loa). L a reconstruction diminue considérablement cette
interaction. Les premiers modèles ont supposé u n gauchissement (buckling) de
la surface produite par l’alternance d’une élévation et d’un abaissement des
atomes de la surface obtenue grâce à une modification de l‘hybridation sp3
(Fig. 1. lob).
L’atome << haut >> remplit les états s profonds et se lie de façon pyramidale aux
atomes voisins par des orbitales p . L’atome << bas >> garde une liaison pendante de
type p qui reste vide (mais étant enfouie elle est moins nocive). Cet atome se lie à
ses voisins uia une hybridation sp2. En fait, ce modèle n’est pas compatible avec
les mesures de photoémission et les propriétés optiques : il faut introduire une
distorsion de la << bicouche >> d‘atomes superficielle (Fig. 1 . 1 0 ~ ) .
Chaque atome
de type 1 et 2 (cercles centrés) a une orbitale 3p, pendante et les zigzags ainsi
créés se couplent pour former une liaison n comme dans les composés organiques (n-bonded chain model de Pandey). En réalité, il se produit de surcroît un
peu de relaxation. On observe dans ce modèle des alternances de cycles
d’atomes de silicium ayant respectivement 5 et 7 atomes au lieu des cycles normaux de type << chaise >> à 6 atomes. On peut rapprocher cette structure de celle
des joints de macle 23 dans le silicium (Fig. 1.10d).
Le plan (100) du silicium subit aussi une reconstruction (2 x 1) : une illustration en STM en est donnée sur la figure 1.2. Le nombre de liaisons pendantes est
diminué par la création de dimères Si-Si qui ont une orientation différente d u n e
terrasse à l’autre.
A. CORNET et J.-P. DEVILLE
2.3. Les grands types de reconstruction
Les semi-conducteurs (par exemple le silicium, le germanium et l’arséniure de
gallium) sont plus sensibles à la reconstruction que les métaux. En effet, les liaisons chimiques mises en jeu sont fortement covalentes et donc dirigées. Cela
signifie que leurs longueurs ne pourront pas se modifier et que les angles entre
liaisons devront obéir aux diverses hybridations possibles. Mais surtout, la rupture de telles liaisons lors de la création de la surface introduit des liaisons pendantes (dangling bonds) qui sont extrêmement coûteuses en énergie car elles
représentent des densités électroniques répulsives se faisant face. L a minimisation de l’énergie superficielle ne se fera pas par la relaxation qui suppose la dilatation ou la compression des distances interréticulaires du cristal mais grâce à
la reconstruction. Se produit alors u n changement d‘hybridation des orbitales
qui se traduit en plus par des modifications de la structure électronique et donc
des propriétés de transport au voisinage de la surface.
2.3.1. Reconstruction (2 x 1) des plans (1 1 1) et ( I 00) du silicium
Pour la face (1 1 1) c’est la structure qu’on obtient en faisant un clivage sous vide
du silicium. La simple troncature d u réseau [structure (1 x 111 introduit des
liaisons pendantes rapprochées qui ne sont pas acceptables du point de vue
énergétique (Fig. 1. loa). L a reconstruction diminue considérablement cette
interaction. Les premiers modèles ont supposé u n gauchissement (buckling) de
la surface produite par l’alternance d’une élévation et d’un abaissement des
atomes de la surface obtenue grâce à une modification de l‘hybridation sp3
(Fig. 1. lob).
L’atome << haut >> remplit les états s profonds et se lie de façon pyramidale aux
atomes voisins par des orbitales p . L’atome << bas >> garde une liaison pendante de
type p qui reste vide (mais étant enfouie elle est moins nocive). Cet atome se lie à
ses voisins uia une hybridation sp2. En fait, ce modèle n’est pas compatible avec
les mesures de photoémission et les propriétés optiques : il faut introduire une
distorsion de la << bicouche >> d‘atomes superficielle (Fig. 1 . 1 0 ~ ) .
Chaque atome
de type 1 et 2 (cercles centrés) a une orbitale 3p, pendante et les zigzags ainsi
créés se couplent pour former une liaison n comme dans les composés organiques (n-bonded chain model de Pandey). En réalité, il se produit de surcroît un
peu de relaxation. On observe dans ce modèle des alternances de cycles
d’atomes de silicium ayant respectivement 5 et 7 atomes au lieu des cycles normaux de type << chaise >> à 6 atomes. On peut rapprocher cette structure de celle
des joints de macle 23 dans le silicium (Fig. 1.10d).
Le plan (100) du silicium subit aussi une reconstruction (2 x 1) : une illustration en STM en est donnée sur la figure 1.2. Le nombre de liaisons pendantes est
diminué par la création de dimères Si-Si qui ont une orientation différente d u n e
terrasse à l’autre.