Formation and supercooling of AuSi eutectic droplets on Si substrates: an in-situ study using synchrotron radiation

8/2/2019 Formation and supercooling of AuSi eutectic droplets on Si substrates: an in-situ study using synchrotron radiation

1/240

THSEPour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LUNIVERSIT DE GRENOBLESpcialit: Physique de la Matire Condense et du Rayonnement

Arrt ministriel : 7 aot 2006

Prsente par

Rmi DAUDIN

Thse dirige par Gilles RENAUD et Alain PASTURELcodirige par Tobias SCHLLI

prpare au sein du CEA Grenoble - Service de Physiquedes Matriaux et des Microstructuresdans l'cole Doctorale de Physique de Grenoble

Formation and supercooling ofAuSi eutectic droplets on Si

substrates: an in-situstudy usingsynchrotron radiation

Thse soutenue publiquement le 10 Fvrier 2012devant le jury compos de :

M. Jean-Marie DuboisDirecteur de Recherche CNRS, IJL Ecole des Mines, Nancy, PrsidentM. A. Lindsay GreerProfesseur, University of Cambridge, MSM, Cambridge, Rapporteur

M. Harald ReichertDocteur, Max Planck Institut, Stuttgart, Rapporteur

M. Yves GarreauProfesseur, Universit Paris-Diderot, LMPQ, Paris-7, Examinateur

M. Jol ChevrierProfesseur, Universit Joseph Fourier, Grenoble, ExaminateurM. Gilles RenaudDocteur, CEA Grenoble, SP2M, Directeur de thse

M. Alain PasturelDirecteur de Recherche CNRS, SIMaP, Grenoble, Directeur de thseM. Tobias SchlliDocteur, Responsable scientifique ligne ID01, European SynchrotronRadiation Facility, Grenoble, Co-Directeur de thse


2/240


3/240

Merci !

Thse : Travail prsent sous forme douvrage exposant une recherche scientifique

originale est ses rsultats dans un tablissement suprieur habilit, soumis soutenance

publique devant un jury pour lobtention du grade de docteur. (Source : Centre National de RessourcesTextuelles et Lexicales : www.cnrtl.fr/definition/these)

Loin de moi lide de porter le discrdit sur mes confrres de la linguistique mais cette

dfinition, bien qulgante et synthtique, nen est pas moins incomplte. En effet, cette

dernire ne dcrit quun tat final et administratif de ce quest rellement une thse, or mon

humble avis, une thse cest bien plus que cela.

Dans la thse, au dbut on signe un contrat, la fin on soutient ( normalement). Entre les

deux il se passe des trucs (Bref

). Ces trucs ont t pour ma part les campagnes dexpriences

synchrotron, les runions, les dpouillements des mesures, les vacances en Australie, linterprtation

des rsultats, les lectures darticles, les prparations de confrences, les pauses cafs, les

relectures darticles, les critures darticle, les rinterprtations des rsultats, les runions, les

prparations des TD dIUT, les nouvelles expriences pour confirmer la nouvelle interprtation

des rsultats, les dpouillements des nouvelles mesures, les pauses caf, les re-relectures des

articles, les vacances Nouma, les modifications dans lcriture de larticle conformment aux rsultatsdes nouvelles mesures, les vacances en Croatie, lencadrement de stages, les demandes de simulations

pour confirmer les expriences, les runions de prparation aux nouvelles expriences pour

rpondre aux questions souleves par les simulations, les pauses caf, les vacances en Slovaquie,

lcriture du dbut du manuscrit, le suivi des derniers cours pour obtenir tous ses crdits, la

rcriture de tout le dbut du manuscrit suite aux premires corrections, les vacances en Ecosse, les re-

re-relectures des mmes articles quon commence enfin comprendre vraiment, lcriture de la

thse, lcriture de la thse, les vacances, lcriture de la thse, lcriture de la thse, lcriture de la

thse [], la correction de la thse, la correction de la thse, la correction de la thse [], le

DEPOT de la thse, la fiesta, quelques 6 ou 7 rptitions de soutenance pour vacuer du discours

75% des heu, et piset autres et bin, et enfin la soutenance ! Et, sans crier gare, cestfini, avec mme des commentaires positifs sur le travail rendu !

Mais le plus mmorable de ces trois quatre annes, au-del mme du pot de thse, ce

sont surtout les personnes que lon ctoie, qui vous aident, et que je tiens remercier ici.

Tout dabord, je tiens remercier les membres du jury davoir pris le temps dexaminer

cette thse. Leur intrt pour ce travail a t une vraie rcompense aux efforts consentis.

Je tiens adresser un grand merci mes deux principaux encadrants: Gilles Renaud et

Tobias Schlli. Il est vident que cette thse naurait pas pu dbuter, se drouler ni aboutir sans

eux. Dbuter grce lobtention de la bourse de thse qui ntait pas du tout acquise, se

drouler grce la forme olympique de Tobias en manip synchrotron et aboutir grce au supercoaching de Gilles. En effet, le changement dencadrement au cours de la thse a t au final

bnfique de part leur complmentarit.

Je tiens ainsi remercier Tobias qui ma accueilli et form sur mon sujet de thse. Je le

remercie de son perptuel enthousiasme, de sa simplicit et de son nergie dbordante qui

sont lorigine dun travail intense mais dcontract. Il est nanmoins parfois difficile de le

suivre, que ce soit sur un vlo ou lorsquil se met rflchir en mode maillot jaune. Mme en

manip 5h du matin, alors que mon cerveau se mettait automatiquement en mode sans chec

avec une frquence douverture des paupires synchronise sur celle de lacquisition des scans,

celui de Tobias affichait encore allgrement 3i.s-1

(ides par secondes) ! Je le remercie davoir

partitionn son cortex et utilis la partie la moins rapide avec moi pour mviter de finir enqueue de grupetto.

Lors du dpart de sir Schlli pour des cieux plus clments (ou pas), cest donc Gilles qui a

su faire face la rcupration dun thsard en perdition !


4/240

Un grand merci lui, qui malgr un agenda dj bien fourni, a toujours t disponible

pour moi bien quil se soit souvent excuser de ne pas lavoir t plus. En plus de toute la

formation quil ma promulgu sur la manip, je tiens le remercier de mavoir coach sur

dautres aspects du mtier de chercheur : crire les comptes-rendus de manip, crire un article,

prsenter les rsultats, crire in-situ, ex-situ et ab-inito en italique, aller en confrences et

mme celles auxquelles je ntais pas inscrit, petite anecdote :

Gilles : - Hey Rmi, jai un oral une conf. Santorini, cest une petite le grecque des Cyclades

super jolie. La conf est sympa ya des activits tous les soirs, malheureusement je ne vais paspouvoir y aller car jai trop de boulot, a tennuierai de me remplacer ?

Moi : - Ecoute je vrifie mon agenda car je suis pas mal occup en mai (yeeeesssss !) [] ok bon

je pense que je vais russir marranger si a peut te dpanner

Merci infiniment pour les heures passes corriger cette thse, pour les encouragements, les

prcieux conseils, la disponibilit dans la dernire ligne droite pour prparer la soutenance.

Mes remerciements sadressent bien videmment Alain Pasturel, propuls directeur de

thse sans mnagement et grand manitou des simulations ralises dans ce travail. Toujours

enthousiaste la vue des rsultats exprimentaux, il a la courtoisie de ne jamais traiter les

exprimentateurs de fieffs ttus bien quil ne comprenne pas pourquoi lon sobstine faire

des expriences reintantes sur des instruments ultra-coteux alors quil peut faire la mme

chose avec un ordinateur (ou quelques dizaines de plateformes de calcul). Pour lui rien nest

impossible il suffit de charger en points k. Un grand merci lui ainsi qu toute lquipe qui

lentoure et qui font tout sa place Nol Jakse, Thomas Nogaret et Tuy Nguyen. Jespre

vivement que cette collaboration se prolongera dans le futur.

Ce travail rsulte aussi de lapport inestimable, scientifique ou non, de nombreuses

personnes du laboratoire. Merci Franois Rieutord, le chef NRS, pour son accord ma venue

au laboratoire. Merci Giovanni Davi et Christine Revenant pour leur pugnacit dans le

traitement des donnes GISAXS et Adrien Vaysset pour ces efforts concernant la

reconstruction de surface. Merci Odile, Pascal ainsi que Vincent le seul suivre rgulirement

les changements dadresse des imprimantes. Merci a Carmelo et Ccile du secrtariat qui ont

rsolu tous mes problmes administratifs en un tour de main.

Je noublie bien videmment pas le staff bas lESRF et particulirement Olivier

Geaymond, la technique, sans qui aucune des expriences naurait t possible. Pour les

missions Dbuggages / Cablages / Arrangeages / Rglages / Dmontages / Remontages / Jai-

ractualis-ton-badge / Limprimante-elle-est--ltage / et autres conseils dusage : Olivier

Ulrich himself, merci lui ! Je lui dois au moins 30 cafs ! Merci aussi lhomme assis dans le

fond de la salle de contrle qui code qui code qui code quand il na pas la tte dans son gonio :

Sbastien Micha toujours de bonne humeur et prompt la rigolade.

Un grand merci a Axel Maurice, mon tout premier esclave stagiaire, Auvergnat de

surcroits, avec qui le travail ainsi que les -cts ont t dexcellents moments (il a eu 18/20 !),

et merci pour les cours de LaTeX ! Je remercie de plus chaleureusement Tao Zhou (prononcez

Tao Tch) pour tous les dbuggages de mon ordi et son aide prcieuse sur le MEB. Il a appris le

franais en 2 mois et rflchit plus vite que son ordinateur pourtant configur pour grer en

mme temps 3 parties en rseau, les tlchargements et les lignes de commande dirigeant la

manip depuis son lit, impressionnant ! Merci de plus Nils et Valentina, post-docs arrivs lors de

ma 3eme

anne, toujours plein de conseils de sages et surtout dencouragements lors des

moments un peu difficiles de la rdaction et de la prparation de soutenance.

Enfin un grand merci Francesca (Madame tlou tlou !), ma co-bureau, qui a apport un

vent de fraicheur tout au long de cette thse. Son dbit de parole en italien au tlphone nadgal que les dcibels qui laccompagnent mais son ton enjou a gay pendant trois ans

lambiance monastique du C5 que seul le rire de Gilles venait parfois troubler.


5/240

La russite dune thse, ce nest pas seulement les copains du boulot mais aussi ceux

hors-boulot (quoi ? ya une vie en dehors de la thse ? bin sur les 30 premiers mois oui...)

Merci toute la troupe du GPM2 and co. que jai rencontr par le biais de ma dou :

Pinpin sur lequel il faudra un jour crire un livre (best-seller assur !), Laulau mon collgue de

rdaction, de discussions matos vlo et dinventions rvolutionnaires toutes dj tombes dans

le domaine publique, Malika qui ma tu lEkiden et qui participera cette anne son 30eme

Raid INP, Pierrot le M. Bretzel/Fischer et sponsor officiel de bons conseils pour grer sa fin de

thse, Bastien qui nous a forg un magnifique couteau, Bn qui supporte tant bien que malcette bande de thsard, Arthur hey mon ptit vient faire la Royale, cest facile ! , Hlne jamais

cours de bons plans charcute-fromage-pinard-bire, Djo dont lide rcurrente traversant son

esprit est il me faudrait une slack plus longue , Sbastien Gravier qui organise des barbeuks

seulement lorsquil pleut et qui utilise sont garage pour entreposer tout sauf sa voiture et

Charline notre piqueuse professionnel qui nous vaccine en mme temps quelle sert lapro.

Merci bien videmment aux anciens du gaz de la belle poque du 40 Foch et des

parties de coinche endiables qui mont soutenu pendant cette thse. Mon bon Copla et sa Julie

avec lesquels jai heureusement partag bien plus que leur 8 dmnagements (dont un frigo

king-size au 5eme

sans ascenseur), le vieux FlowD toujours chercher la petite bte, le Smon qui

a toujours la banane, la Nono qui nous a fait dcouvrir Edinburgh by night, le TomP cuisinier

hors pair et toujours fringant pour pousser la chansonnette, la Tina monte sur ressort et jamais

fatigue et oui je peux le dire maintenant : Cest super Saint-Sorlin dArves ! , merci pour tous

ces moments inoubliables ! Merci au Sbastien Gay mon voisin de table en CE1 venu

mencourager pour mon oral, merci au zikos connus au Mans (taime la rillette ? et bin

Sarthois !) Marko et Riton venus Grenoble rien que pour tre plus prs de moi de la Bobine !

Un norme merci ma famille, ma sur La (spcialiste du gteau de crme de marron)

et mon frre Benot ainsi que Seb et Marie qui mont soutenu jusquau bout, je penserai eux

emmitoufl dans ma doudoune de luxe ! Il est vident que rien de tout cela naurait pu se

concrtiser sans le soutien inbranlable de mes parents. Je les remercie infiniment pour leurs

encouragements inconditionnels dans tous les aspects de ma vie, je ne pourrais pas rver

mieux. Merci mon pre pour tous ses conseils lucides et aviss ainsi que pour le show lors

du pot ! Merci ma mre toujours aux petits soins et qui, lors de mes priodes dhyperactivit,

sinquite souvent que je ne tire pas trop sur la corde et qui je rponds inexorablement

tinquite mman ! .

Une mention spciale mon pote de toujours, Pyo, avec qui je partage tout depuis la

premire anne de maternelle ! Un soutient sans faille depuis tout ce temps, je le remercie de

sa zen-attitude toute preuve, avec lui rien nest un problme cest tout simplement que

cest a la vie ! Scandant son crdo cest cool ! qui veut lentendre, cest en grande

partie grce lui si jen suis l aujourdhui et ce sera encore le cas pendant longtemps !

Et enfin un merci avec une mention bien plus que spciale et venant du fond du cur

ma dou ! Passe par la case thse un an avant moi, elle a toujours su trouver les ressources

ncessaires et les mots pour me supporter et me rconforter lorsque le moral ntait pas au

beau fixe. Merci pour toutes ses petites attentions, ses bons petits plats (mme en rando !) et sa

tolrance envers mes trop nombreux tinquite, on en reprend une et on y va . Merci pour sa

motivation inaltrable et sa force de persuasion pour mentrainer dans des activits toujours

plus prilleuses ou simplement aller la dchetterie. Et surtout, merci davoir t le catalyseur

de notre futur projet; nos aventures de thse sont maintenant derrire nous alors que se

dressent dj devant les nouvelles et qui, jen suis certain, nous rservent bien des surprises !

Merci mes diffrents sponsors psychologiques : La Bobine, le Yassou, mon vlo, basketusa.com, ma

cafetire et le SAV dOmar et Fred.


6/240


7/240

Le luxe de demain sera la lenteur dans le silence

-Anonyme-


8/240


9/240

C o n t e n t s

F r e n c h S u m m a r y - R s u m d e l a t h s e e n F r a n a i s

I n t r o d u c t i o n x i

C h a p t e r I S t a t e o f t h e a r t

s F I x n o o d o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I

s F I F I o E v d E o l d o F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I

s F I F P w o l l f m i @ w f i A n d o m o d F F F F F F F F F F F P

s F P m E o n d o n d m l l F F F F F F F F F F F F F F F F F F R

s F P F I n d X l o n n d q m n m F F F F F F F F F F F F R

s F P F P g l X q o l d n d e l m n m F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F U

s F Q s n o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F V

s F Q F I d m F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F V

s F Q F P h o E n d d o n o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F I H

s F Q F Q h n o n ( l m X o m o n o l n d F F F F F F F F F F F F F F F I I

s F Q F R n d o l o n o l d F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I Q

s F R h o n o l d X E o l o n n o n F F F F F F F F F F I T

s F S v d E o l d n o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I V

s F S F I o o l n X m o d n m n d l l m o d l F F F F F F F F F F F F I V

s F S F P f o n d l l m o d l X o d l o d F F F F F F F F F F F F P R

s F T l l d o X F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F P U

s F T F I m o d n m n d F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F P V

s F T F P o l d ( o n o l l o F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F Q I

s F U ( o n n n n n o o F F F F F F F F F F F F F F F F F F Q Q

s F U F I v d n m l l d m n o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F Q Q

s F U F P I n - s i t u g E n n o o F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F Q S

s F V v d o l o o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F Q V

s F V F I v d E o n X l n ' F F F F F F F F F F F F F F F F F Q V


10/240

s F V F P v d E o l d n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F Q W

C h a p t e r I I M e t h o d s a n d e x p e r i m e n t a l s e t - u p

s s F I E n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F R Q

s s F I F I E o n n n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F R Q

s s F I F P f E d ' o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F R T

s s F P g z o n m o d F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F S H

s s F P F I q z n n d n E n @ q s A F F F F F F F F F F F F F F F F S H

s s F P F P E d ' o n @ h A F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F S R

s s F P F Q q z n n d n m l l n l E n @ q s e A F F F F F F F F S S

s s F Q i m n l E F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F S V

s s F Q F I n o o n n d f w Q P m l n F F F F F F F F F F F F F F F F F S V

s s F Q F P I n - s i t u g r o w t h o f N a n o s t r u c t u r e o n S u r f a c e @ s x A X m n l

F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F T H

s s F Q F Q g o o n o F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F T S

s s F R x m l m l o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F T U

C h a p t e r I I I G r o w t h o f A u o n S i ( 1 1 1 )

s s s F I q s e d o l o o m n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F T W

s s s F I F I q o S U H u F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F T W

s s s F I F P h o n d n n l n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F U P

s s s F I F Q g o m o n n o o m o d F F F F F F F F F F F F F F F U T

s s s F P q s d o n l l o n F F F F F F F F F F F F F F F F U U

s s s F P F I i m n l l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F U U

s s s F P F P h o n o n o n d d n o e o n @ I I I A F F F F F F F F F F V Q

s s s F P F Q e o m o n ( o n o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F V R

C h a p t e r I V A u - i n d u c e d r e c o n s t r u c t i o n s o f S i ( 1 1 1 ) : ( 6

6 ) A u , (

3

3) R 3 0

A u

s F I v F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F W S

s F P i m n l l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F W V

s F P F I g o n d o n o o m o n o o l d o n o n F F F F F F F F F F F F W V

s F P F P l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I H H

s F Q @ I I I A E @ T

T A e F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I H Q

s F Q F I h o l l o n n d m m n F F F F F F F F F F F F F F F F F I H Q

s F Q F P w o d l i l o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I H S


11/240

C h a p t e r V S u p e r c o o l i n g i n A u S i d r o p l e t s

F I y n @ H H I A F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I I U

F I F I @ H H I A 9 F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I I U

F I F P o o l n o n @ H H I A F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I I V

F I F Q o l d F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I I W

F P y n @ I I I A F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I P H

F P F I o o l n o n @ I I I A E @

33

A Q H

e o n o n F F F F F F F F I P H

F P F P o o l n o n @ I I I A E @ T

T A e o n o n F F F F F F F F F F F F F I P I

F Q d o l d F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I P R

F Q F I i m n l d F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I P R

F Q F P m l o n l F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I P V

F R d o z ' F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I Q P

C h a p t e r V I C a s e o f o t h e r s y s t e m s a n d i n e r t s u b s t r a t e s

s F I e o n q @ I I I A F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I Q W

s F P e l o n @ I I I A F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I R S

s F Q g o n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I S H

s F Q F I e o n y 2 F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I S H

s F Q F P e q o n y 2 F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I S P

s F Q F Q e q o n e l 2 y 3 F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F I S Q

C h a p t e r V I I D i s c u s s i o n a n d s y n t h e s i s 1 5 5

C o n c l u s i o n a n d P e r s p e c t i v e s 1 7 1

A n n e x e : S t r u c t u r e f a c t o r s d a t a s e t a n d m o d e l 1 7 7

R e f e r e n c e s 1 8 9


12/240


13/240

I n t r o d u c t i o n


14/240


15/240

x n o n o l o d l o o n o n F s m n l d

o l o o n o o l o n d l l o n o o m F

o d m d o n d m j o o m o d o m E o n d o

d n o F 0 n o n n d n o o o n l o

n m o n o D d o n o z o n o m n n d

m m d o d o n o F w o n l D n n m n n

o n n o E o j n o d o m n n n o n o n o m F

o d ' n o o l d n n o F ( o n l l d

o E d o n o n d o n n l n m l n d d n d z F

o o o m m l m d n o n n o m l l z

n d D n D d ' o o

o j F o n d o l l d o o m E o j l l m o o m

o m F s n D m o ( n d o m m o d n l d D n l l E o n o l l d

m n l o n d o n d n o D o l E o n z o n o o m F s n o

D n d l d o j d o m n d '

o n o n o F

s n o n D m E o n d o n n o @ x A D n n o n E d m n o n l

o j

i

D n o l D m n l o l o n o F w o l D x

o n o m o d d o n E d m n o n l m E o n d o n d d o n o E

d l o m o n n n n l o n o l l l D n o o n l o n d F

i n n o o d m n d o d D o l n d m o

d d o m n o n o o d n I W T R n n d i l l

n n d i l l D

I W T R

F o D n d n ( o o k D l o l d o l d

l o o n z l o n o m n o m o x F i n

l m n m l n d D m n n d m n l o n n l E o

o m n n n d o G n d o n o l F e o l o m

m o n o o n o l o m @ k n D o n o n D m o o l o F F F A o n l l

l d n d x w o D n d o n n d l m n m F

h o k n d o P w E x

i

l o o o g i e q E

n o l n o m l n d d d o z o n o o o

n n o E o j o n i p

i i

F s o o n l n l o n

d d l m n o o m o o x F o k n d n

m n d o n o d l x o D l o m n n d m E

m n X n o l n l d n l l l o m F

i . T h e i r l e n g t h i s m u c h l a r g e r t h a n t h e i r d i a m e t e r .

i . S e r v i c e d e P h y s i q u e d e s M a t r i a u x e t M i c r o s t r u c t u r e s - N a n o m a t r i a u x e t R a y o n n e m e n t S y n c h r o t r o n .

i i . E u r o p e a n S y n c h r o t r o n R a d i a t i o n F a c i l i t y .


16/240


n o n l m n ) d n m l l d l o m l n

m n o m n o n l l d o o l n F h l l E k n o n n o m n o n D

n d n d n o m n m o n n n o m l F o o m l m n E

o o l n ' F ( o n D o n o d o l l

o n D d o m o o o n o o d o o l n o F n E

m o d n m l o n D o o l n d o n l d l o m l n o n D n o d o l l z

D n n l o m o n o l o l d n l F n l

d o o m l l n l d o n d l l o o o o l d

F e z o l n l n l o o o n l o d o o o l n D

m o l d o o l d o l d ( F d o n d l d n

m l n o d n d o n o l o l d ( o n o F

o n d o d o m o o m o n o F s l n o o l n

o l d o m l o l l o m l d l n n o m E

l o o o l d l F e o n n D l d E o l d n o n l o d

d o n o m l d o d d D n n l o n ( o n o l o n D

n d o d l o n z n m n o d o l F

l l m d o n ( E o l d m m D o d D E

n o m o n o n o d d l

i

F k n d o o d n n l d l d n

o d m n d 0 l o z m n l l

i i

F s n m o d 0 l

o m k l n k n d l o m n o ( E o l d o d n n l d n d E

o o l n o F r o D m o m n o z o n n n o l l o

o d n m o d l l l n l o n z o n o n n n

n ( l d o o n d n d m F

o m l o o o l n n o m n n d n o n n o l d ( o n

o l l o F o n o k n o e E m n d F

w o o D e E l d l l o o m l d m n o n o m E

o o n D e l d l d l z d o n o l o m F f l o

m D l d d o n d o m l l o o l n

n d o l l z o n o d ' n o m o n n F s n n o k

o o o n o e l d l l l o m

@ n d o m o n n o E d o l n o n A l d o n

o m n E d ' o n F n d n d n o n o n

n e l d n d o m m o n o

d ' n m o n o o n n o F

i . A c r y s t a l p r e s e n t i n g a n o r d e r a t l o n g d i s t a n c e s a d o p t s a t h r e e , f o u r o r s i x - f o l d s y m m e t r y .

i i . E v i d e n c e s o f t h i s k i n d o f o r d e r i n g h a s b e e n d e m o n s t r a t e d b y s i m u l a t i o n s .


17/240

d ' n o o k o n n n o m o n n d o o l n E

o o e d o l n d o l l o n m n X

C h a p t e r I : S t a t e o f t h e a r t . s n n d l o n d

o n d n d o l l o n l F o m l o n n n n

d d D m l d n o k n d o n d

o o o n n o n d F e o d o n o l d ( o n D

l o d d d o o l d n d l d E

o l d n o n F ) l l o m n l o n o n o l d ( o n o

l n o n ( l l o d d n o k F o m o n n n l d

l l o o o n n o l n d ( o n n o o d d F

C h a p t e r I I : M e t h o d s a n d e x p e r i m e n t a l s e t u p . y m n o n n n

i n - s i t u d o 9 D n l r m D o n o o n

d o n F s n o l l d o m o n n n E

d ' o n n d o o n o o n l F n n d l o

m m n o m d l l m n l o o o d n d n E

d n o l F

C h a p t e r I I I : G r o w t h o f A u o n S i ( 1 1 1 ) . f o n n l d d o l D

o o n o o m o n d o o n o l d ( l m

n n o l n d n d n n o d o l n n m F

m o m m o o l o l m o l n d l l o l o n

o o m o o l d E l o n n n n l n F

C h a p t e r I V : A u - i n d u c e d r e c o n s t r u c t i o n s o f S i ( 1 1 1 ) : ( 6

6 ) a n d (

33

) R 3 0

. o m o n o o l d l n d n d d o l k l n n o

o l d n l n d n o n o n l F s n

n o m n l l o n n n o m o n o E

o n o n n d d m n o n o o m F

C h a p t e r V : S u p e r c o o l i n g i n A u S i d r o p l e t s . s n h o k D l E

o o l n ' n o d n e d o l n n o n

d ' n o F d d d o n o n

o l d l n o l d ( o n o n d o l d F

C h a p t e r V I : C a s e o f o t h e r s y s t e m s a n d i n e r t s u b s t r a t e s . m j o o


18/240


o k o n n n o n o e E m F r o D o m m n

n o m d o o o m E o n d o n n o n

d d n m m n l o n d o n F l o n d o n e E q

n d e l E m n d n F

C h a p t e r V I I : D i s c u s s i o n a n d s y n t h e s i s . e l o h o k n l n

n n d l n e E m D o n k l d

o n n o m ( o n d n l d d d o n o n

m n l o n d o n n d n m n o z o n F s n l D

o m o l o n l n d o o n o o d ' n

o n l l n d d F


19/240

C h a p t e r I

S t a t e o f t h e a r t

C o n t e n t s

I . 1 N a n o w i r e s p r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

I . 1 . 1 T h e V a p o u r - L i q u i d - S o l i d p r o c e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

I . 1 . 2 M o l e c u l a r B e a m E p i t a x y ( M B E ) a n d g r o w t h m o d e s . . . . . . . . 2

I . 2 S e m i - c o n d u c t o r s u b s t r a t e s a n d m e t a l c a t a l y s t s . . . . . . . . . . . 4

I . 2 . 1 S u b s t r a t e s a n d s u r f a c e s : S i l i c o n a n d G e r m a n i u m . . . . . . . . . . 4

I . 2 . 2 C a t a l y s t s : G o l d a n d A l u m i n u m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

I . 3 I n t e r a c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

I . 3 . 1 P h a s e d i a g r a m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

I . 3 . 2 D e p o s i t - i n d u c e d s u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . 1 0

I . 3 . 3 D e w e t t i n g o f t h i n l m s : f o r m a t i o n o f i s l a n d s . . . . . . . . . . . . 1 1

I . 3 . 4 W e t t i n g d r o p l e t o n a s o l i d s u r f a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3

I . 4 D e s c r i p t i o n o f t h e l i q u i d s t a t e : t h e p a i r - c o r r e l a t i o n f u n c t i o n . . 1 6

I . 5 L i q u i d - s o l i d p h a s e t r a n s i t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8

I . 5 . 1 S u p e r c o o l i n g : t h e r m o d y n a m i c a n d c l a s s i c a l m o d e l . . . . . . . . . 1 8

I . 5 . 2 B e y o n d t h e c l a s s i c a l m o d e l : t h e i c o s a h e d r a l o r d e r . . . . . . . . . 2 4

I . 6 P a r t i c u l a r l i q u i d b e h a v i o u r : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7

I . 6 . 1 T h e r m o d y n a m i c a n d s t r u c t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8

I . 6 . 2 S o l i d i c a t i o n o f e u t e c t i c a l l o y s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1

I . 7 S p e c i c f e a t u r e s c o n c e r n i n g n a n o w i r e s g r o w t h . . . . . . . . . . . 3 3

I . 7 . 1 L i q u i d s i n s m a l l d i m e n s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3

I . 7 . 2 I n - s i t u S C - n a n o w i r e s g r o w t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5

I . 8 L i q u i d b e h a v i o u r c l o s e t o i n t e r f a c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8

I . 8 . 1 L i q u i d - V a p o u r i n t e r f a c e s : l a y e r i n g e e c t . . . . . . . . . . . . . . . 3 8

I . 8 . 2 L i q u i d - S o l i d i n t e r f a c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9


20/240


21/240

I . 1 . N a n o w i r e s p r o d u c t i o n

n n l o n n n o n d d n o k F

o o n n o n o o n n o D d o n o m l

d n d l l ( o n n n o F e o n n

d d d o l d D o l d ( o n o n d o l m l n k d o

n o n F

I . 1 N a n o w i r e s p r o d u c t i o n

o o o n o n o d o n o o E v d E o l d @ v A o

l l o m o n d o n o n n n l o F s n d D n o n

d o n l n o n o d o d m l n d l n o

n d n d ( n n n o F d d m n o o d

o o ) n d n o n n o n o m d F v o o n d

o n n o o n d l d ' n l m

n n ( l d o n n o n F o m l o n n n o l l l o

n o d d n o l n d n d n o o o o k F p o

o m l d o n o n n n o o n n o D d d d o o

n o n e t a l .

n e t a l . D P H H V

D m d e t a l .

m d e t a l . D P H I H

n d

o e t a l .

o D P H I H

l l n n F

I . 1 . 1 T h e V a p o u r - L i q u i d - S o l i d p r o c e s s

p s F I l l d n v m n m X

! p D m l l d o d o n D o n n o o m m

@ A D n o m o n ( l m F

! n D m l n n l d D ( l m d @ o n s F Q F Q A n d l d d o l

o m m e o n m @ o n s F Q F I A

! p n l l D l d o l o d o m o n d o @ g A o ) F n E

o m n g o m d ' n d o o d o l d o o n n o n

d n F e l v o m n o m d n U H H u n d W H H u F

o d m o o n n d m D g o m l l z

d o l E n n d n n o o o F o E

o m d o n n l o n g o m n n d o l n d

n l E o m d n n o D d m d n d n o n l l z o d o l F

I


22/240

C h a p t e r I . S t a t e o f t h e a r t

F i g u r e I . 1 S c h e m e o f t h e V a p o u r - L i q u i d - S o l i d p r o c e s s i n t h e c a s e o f S i n a n o w i r e s g r o w t h c a t a l y z e d

b y A u i s l a n d s .

I . 1 . 2 M o l e c u l a r B e a m E p i t a x y ( M B E ) a n d g r o w t h m o d e s

e j n D d o o l o n o v

m n F i l

i

o o m m o n ( l d o n D o n d ( l d

o n n o d F p o m l D o o q o n n n l

d d

o l n d D P H H I Y o e t a l . D P H I I Y q o m n n e t a l . D I W V S Y u l e t a l . D I W W I

F

l l o o m d w o l l f m i o n n n

m l o o d ) o o m o n d o d d d F

h n d n o n m n l m

i i

m n o m o n k l D

n d n p s F P F g o n o l l n ) l l d o o n m m k o l

o m o n o n ( l m o l e n m F

l l n o o m d o w f i o l d E o l d n F e

m o d n m l l m d ' n o m o d @ p s F Q A X

! p n k E n d w m o d D o o n d n o o m l n o

d o d l F o m o d d l l F

! n k E u n o m o d o o l d n n l o l o

i . T h e w o r d E p i t a x y c o m e s f r o m a c o m b i n a t i o n o f G r e e k w o r d s : a n d w h i c h m e a n o n a n d a r r a n g e m e n t , r e s p e c t i v e l y .

i i . s u c h a s n a t u r e o f m a t e r i a l s , t e m p e r a t u r e , u x , e t c . . .

P


23/240

I . 1 . N a n o w i r e s p r o d u c t i o n

F i g u r e I . 2 I l l u s t r a t i o n o f t h e d i e r e n t p h y s i c a l p r o c e s s t h a t c a n a r i s e d u r i n g M o l e c u l a r B e a m

E p i t a x y .

F s n o m l n @ l l d n

l @ v A A D o l l o n o m o m o l d l n d o n o o F

! o l m E m o d o n o n l n o m F o o n n

o m o n o l n d d l o n F

f l l D d ' n o m o d d n d o n d ' n n

n o o m l F p o m l D m l o m d o d o n m o l d

l k l o o l l o n o l m E o m o d F r o n o

m o d D d 0 l o d o m o d D d ' n n o

m o d n o m m m l l n d l m o n d o n l d F e m o

d l d d o n o n o m o d n d n g s s s n o e o n @ I I I A F

o n l l l o n o n n n n n d l n n o

@ o n s F Q F R A F

F i g u r e I . 3 P r e s e n t a t i o n o f t h e t h r e e t y p i c a l g r o w t h m o d e s . T h e F r a n k - v a n d e r M e r v e m o d e

c o n s i s t i n g i n a l a y e r b y l a y e r g r o w t h , t h e S t r a n s k i - K r a s t a n o w m o d e f o r w h i c h 3 D o b j e c t s f o r m o n a

w e t t i n g - l a y e r a n d t h e V o l m e r - W e b e r m o d e d i s p l a y i n g d i r e c t i s l a n d n u c l e a t i o n .

Q


24/240


I . 2 S e m i - c o n d u c t o r s u b s t r a t e s a n d m e t a l c a t a l y s t s

s n o k D d d m o l e E m l l e E q n d e l E

m F e k n o d o n o m l n n o n F

I . 2 . 1 S u b s t r a t e s a n d s u r f a c e s : S i l i c o n a n d G e r m a n i u m

l o n

i i i

@ a I R A o n d m o n d n l m n n 9 @ (

o n n o n A n d o n d n l l n d o m o o d l o n m n l F

l o n D l l l o m m l l D d o m o d o m o n

i v

F s l o n o m E o n d o l @ n o n l n n d

o n d o n n d A n d o o o o n o d n d l D o m l

n o l n l F

F i g u r e I . 4 S i l i c o n c r y s t a l i n i t s d i a m o n d - t y p e s t r u c t u r e c o n s i s t i n g i n t w o f a c e c e n t e r e d c u b i c

( f c c ) c r y s t a l s t r a n s l a t e d b y a (1/4, 1/4, 1/4)

v e c t o r . I n t r a n s p a r e n c y i s p r i n t e d t h e ( 1 1 1 ) p l a n e w h i c h

c o r r e s p o n d s t o t h e o r i e n t a t i o n o f s u b s t r a t e s s t u d i e d i n t h i s w o r k .

s l l z n d m o n d

v

@ p s F R A D l m o

S F R Q H W D n o o m l o d n n o d l n d

o o n d n n o F

q m n m @ a Q P A

v i

l o m E o n d o o m l o o n

i i i . T h e d i s c o v e r y o f s i l i c o n i s g e n e r a l l y a t t r i b u t e d t o J n s J a c o b B e r z e l i u s ( i n 1 8 2 4 ) , i t s n a m e c o m i n g f r o m

t h e L a t i n w o r d s i l i c i s w h i c h m e a n s i n t .

i v . S i O 2 + 2 C S i + 2 C O v . G r o u p e n u m b e r : 2 2 7 ; S p a c e g r o u p e : F d3m

v i . T h e G e r m a n i u m e l e m e n t w a s p r e d i c t e d b y M e n d e l e e v i n 1 8 7 1 a n d d i s c o v e r e d b y C l e m e n s A l e x a n d e r

W i n k l e r i n 1 8 8 6 . I t s n a m e c o m e s f r o m G e r m a n i a m e a n i n g G e r m a n y i n L a t i n .

R


25/240

I . 2 . S e m i - c o n d u c t o r s u b s t r a t e s a n d m e t a l c a t a l y s t s

o l o n F s l l z n m D l m l l l X

S F T S U S @ C R 7 o m d o A F s o m F

F i g u r e I . 5 T o p v i e w a n d s i d e v i e w o f a s i l i c o n ( 1 1 1 ) o r i e n t a t e d s u b s t r a t e .

s n n D n n d o n o l l o n n l k o o

m l F s o m o l n o n o m o n o n d n

( l d n d l l n o k F y n o m o l n o o

o l o n o m o d n F

l n l l d o n o n F

@ I I I A E @ U

U A o n o n n m l o n d n d o o m

n o n ( o n o n n l l o l o d F s (

o n o n n m d n n n n n l n w o o @ w A

f n n e t

a l . D I W V Q

F e d l d d o n n o n d n

k n e t a l . D I W V S

n d

o l n d D

P H H I

F

@ I I I A o n o n n d o n d o n

v i i

D

o m o l k E m n d @ I I I A l n l k o n o n d o d l

d n l n o n d F m o d n l n o n d D n D o

o m o d n m o d n l n o n d F r o d o c

p s F S o o m n @ I I I A l n n d n E l F s

o m o d o l o o ( E l @ l o m n ( E l A D l

n d n l n o n d o m F r o D l m n d

o E l @ d o m A D d n l n o n d d d o o n

v i i . I n t h e c a s e o f S i ( 1 1 1 ) , t h e s a m p l e m u s t b e o u t g a s e d f o r s e v e r a l h o u r a r o u n d 9 0 0 K a n d t h e n a s h e d a t

a b o u t 1 5 0 0 K u n d e r U l t r a H i g h V a c u u m .

S


26/240


o m F l n D m n l l D @ I I I A l m n d

E l F

s n d d o n D o m o ( l l o l o n m o d n l n o n d n n

o n ( o n F d o n o n o n d n o n d

l d o n n l l n m l n o n o l k E m n d

@ I I I A l @ p s F T A F

F i g u r e I . 6 T o p - v i e w a n d s i d e - v i e w o f t h e S i ( 1 1 1 ) - ( 7 x 7 ) r e c o n s t r u c t i o n s t r u c t u r e

[

V o i g t l n d e r ,

2 0 0 1

]

. T h e r e a r r a n g e m e n t o f a t o m s c r e a t e s a s u r f a c e u n i t c e l l s e v e n t i m e s l a r g e r t h a n t h e t h e o r e t i c a l

o n e .

n m n o o m l d o n o X

! d o m D n d n l n o n d n d l n o m n d

! d m D o m o n d d o m o n @ d o l n l l A n d l o

d n m o d n l n o n d F

o m o n o d m k n l n d l d o n l o n l l

l d @ p A n d o l n l d @ A D o l k k n

n F s l o m @ U

U A n l l m D l l d o n

o l

v i i i

F n m n l l o o d n m o d n l n o n d o m

R W o I W n d o o d n

e t a l . D I W W P

F e o n o n

o n n o l o l l o n d n d j m n D l d n d o n l l o

o n o n F p o m l D @ H H I A o m o m @ P

I A o n o n n d

v i i i . T h e c o m p l e t e t r a n s f o r m a t i o n p r o c e s s f r o m t h e u n r e c o n s t r u c t e d S i ( 1 1 1 ) s u r f a c e t o S i ( 1 1 1 ) - ( 7

7 ) s t r u c -

t u r e c a n b e s e e n v i a t h e n i c e a n i m a t i o n p e r f o r m e d b y Y a n L i a n g f r o m t h e D e p a r t m e n t o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g

a n d M a t e r i a l s S c i e n c e , U n i v e r s i t y o f M i n n e s o t a : h t t p : / / v i m e o . c o m / 1 0 8 6 1 1 2 .

T


27/240

I . 2 . S e m i - c o n d u c t o r s u b s t r a t e s a n d m e t a l c a t a l y s t s

n n o n o @ I I I A F

p o l l o n m l o o D n o n o l l d q @ I I I A l o o n d F E

n l D l o n d q m l m l D d o n o n m

o n o n X m o l o q @ I I I A @ P

V A o n o n

n n d o m n d o m o d m D o n E o l o k n l

f k e t

a l . D I W V W

F

I . 2 . 2 C a t a l y s t s : G o l d a n d A l u m i n u m

q o l d @ a U W A n l ( m l d d n m n o F x o o d k n o o

d o d ( o n m n

i x

F

F i g u r e I . 7 G o l d c r y s t a l u n i t c e l l i l l u s t r a t i n g i t s f c c s t r u c t u r e .

q o l d o D d l m l Y o o d o n d o o n d l n d n o

n d m o n F s o l l d l d n j l o o l o F s o E o m l

@ m l l l n d o o o n n o n n A m k l n o n d n F

w o n l D o n d n m n m d n ( l d o n n o m l D o l d n n o E

l o n d o l l n d d n d m d l l o n

f o l n d

e D P H H W

F s l n d @ A

x

l m o

R F H U V P D n d n p s F U F

e l m n m @ a I Q A n d l m o l l o l e l E d l l o l o o n o d F

r o l m n m o l d o n l n I V P S n d n o n m n n d n o n k n m l F

s n o o n d n n o d o m F s n l n d

d D m o l n d o m o l l o D n d n o l o n @ o m n o o l

i x . T h e r s t t r a c e s o f g o l d m a n i p u l a t i o n s g o b a c k t o a b o u t 3 6 0 0 B C i n E g y p t .

x . G r o u p n u m b e r : 2 2 5 S p a c e g r o u p :

F m3m

U


28/240


o o n d A F v k o l d D l l m l l

m l l X R F H R W S F

I . 3 I n t e r a c t i o n s

s n o o n @ s F P A D ) n d n l o o

m l d d n o k F s n o n o o n l n o m n o m

o n l n o n n d o d m l n d g F

I . 3 . 1 P h a s e d i a g r a m s

e m o d n m l d m d l d ' n d o m n @ A n o

n l l o D o l m n D o m ( n o l d F s l o o

d o m n l l o l d o l d n l m o l d

F d ' n d o m n d n d o n o n n o n l l o n m

x i

F

p s F V d l l m d m o e E m

o n o k F s m l D o n l S d ' n X o m o n o

l d @ A D o d o m n n o o l d e @ A o @ A o l d

l l o n d o o l d e E p g g n d E h m o n d F

F i g u r e I . 8 G o l d - S i l i c o n p h a s e d i a g r a m .

o m k l n o n d o X

! n o l o o n @

S i

a

I W F 7 D e a T Q T u A o

o n o m o o n D l l o n n l d l o m

x i . [ ] , ( ) a n d < > s t a n d f o r g a s , l i q u i d a n d s o l i d p h a s e s , r e s p e c t i v e l y .

V


29/240

I . 3 . I n t e r a c t i o n s

o m d o m l n m o o m o n n k n l F

! n o l l k l l n l l o X l o n n o o l l n e o l d

@ n d n l A F

d o e E d m l l o o o m o n o n

v o n d n o n s F I F I F e m m o m o d

o d o l m d o o m o o n F s o n n o o m

o o n n o U H H u D n n l n m o d d m l d

o d o l o n o o m n o d o l o l l o n l d l n F e

U H H u o n n o n n d o l o P I F 7 n d l m o n m o n o

o n d o l d l n F n D n d o l o d o

o ) D o m n l d n d d ' o n F p o l l o n

d m D d o l o n n o n d o n d d o l d l n

n d m n o o n d n o o E ` b C @ e A d o m n F

p o l l o n l l E q l l l D l o n n @ o m d o l d o m o o n

U H H u A l l z o o m o l d F o l d ( o n d o l E

n o ' n l o n o o m F s d l l D n n o n

k o n l o n o ) m n n d F x o m o o

l m m n n o n n o o n n n n o o o n D d ' o n n d

o l d ( o n o o m F

e E q n d e l E d m D n d n p s F W @ A n d s F W @ A D l D

l o d l o n d ' n o m o o n n d m F v o

n l o o m d n m @ l l m n o


A F

r o D o o m D m l l o n o g o l l n o l d

o m l F l l d m l l d o m n l n d d

o d m D o n n o d

n l F

( a ) ( b )

F i g u r e I . 9 ( a ) G o l d - G e r m a n i u m p h a s e d i a g r a m . ( b ) A l u m i n u m - S i l i c o n p h a s e d i a g r a m . T h e

p h a s e c o r r e s p o n d s t o t h e m e t a l - S C b u l k s o l i d p h a s e i n b o t h c a s e s .

W


30/240


d m n d o o n n n o n d n n m n

l k D o n n n l n ' F e l l n d l

@ o n s F U A D o m o n d l o m l k o n n m

o o n n o l

x i i

F

s n ( l d o n D ( n n n l d d

o n o n o 9 o n d o o n o m l l m o n o m l F

I . 3 . 2 D e p o s i t - i n d u c e d s u r f a c e r e c o n s t r u c t i o n s

n n o n s F P F I D o m o @ I I I A

n d m l o l k o n o F o n z o n n m n

o d n n o m F e m l o k l l

o m l d o F d o d m l n d n m n o o m

n o d l n F

p s F I H n m l o @ P

P A o n o n F d o d o m o m

n l l l n n l l o F w o o D

o m ( o n o n o d n o m m o n d

o l F n l o d d d o n o o n X o m l D

@

33

A Q H

o n o n o l d o n l l

3

m l m

n d Q H

o o n F

F i g u r e I . 1 0 I l l u s t r a t i o n o f a ( 2 2 ) r e c o n s t r u c t i o n . T h e s u r f a c e u n i t c e l l d i s p l a y e d b y t h e d e p o s i t e d a t o m s ( y e l l o w ) c o n t a i n s i n t h i s c a s e 5 a t o m s (

4 1/4 + 4) a n d i s t w i c e a s l a r g e a s t h e s u r f a c e u n i t

c e l l o f t h e u n d e r l y i n g s u b s t r a t e ( b l a c k ) .

p o m l E g m n d n o k D l o n o n k n o n o

F p o d o d e o m o n @ I I I A D m o o m m o n l o d o n E

o n @ S

P A D @

33

A Q H

n d @ T

T A o n o n F e m o d l d

d o n o o n o n n n g s s s F y l d d o n o n

x i i . T h i s i s p e r f e c t l y i l l u s t r a t e d i n t h e c a s e o f t h e c a r b o n e l e m e n t : t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f a s i n g l e s h e e t

o f g r a p h i t e ( u n d e r t h e f o r m o f g r a p h e n e o r n a n o t u b e , o r e v e n f u l l e r e n e ) d i e r a l o t f r o m t h e o n e s o f b u l k .

I H


31/240


o o l d o n @ I I I A @ P

P A

e t a l . D P H H I

D @2

323A o @

2

21221A

10.9 E

k e t a l . D I W W V

o n o d F

s n m D e o m @

33

A Q H

o n o n o n q @ I I I A

o d o m l o o n o n @ I I I A

r o e t a l . D I W W Q

F x o

n o @ T T A o n o n k n o n o o m n e E q @ I I I A m F e e l o n n d D o n n o k o v n d n d w o o n l d o m o n o

o n o n o e l o n @ I I I A o m o n o l n n d m

v n d

n d w o o n D I W T R

F @ I I I A E @

33

A E e l o n o n n l d d n

m o d l l n

x o D I W V R Y m d e t a l . D I W V R Y r n e t a l . D I W W H Y

r o o D I W W W

o n o n o m o o m o E d m n o n l n d

d d o o o o d o o n m o n o l

x i i i

F p o o D l l o

P w v D o m o n o n l l n ( l m @ o l n d d n d n o n o m o d D

o n s F I F P A o o d F n l o l d ( l m n n d o m o o l o l

n o m o n n m n o l n d F o o n o n @ s F Q F Q A F

I . 3 . 3 D e w e t t i n g o f t h i n l m s : f o r m a t i o n o f i s l a n d s

o o l D o n m n o n d l d l d o l o E

n d n n m D n d d n o o l d ( l m o l

d o d w f i F o n l d o l o l d n o E

n d n o m o d F p o n n D d o o m d m n

l d o d l n d n o d n o o l m E o n k E u n o o

m o d F s n o l o d l l d o n e m o d o l o n

p l

e t a l . D P H H V

F s d n o o n d D l d d n d l F f o

e d o n o m n o l d l d o l n d o o o

n n o D o l d ( l m ( d n o l d D i . e . n d o l n

o n n n l n l d n o o n o o l d l n d F d o n o

o o n o d l n d n g s s s F

o n n o k o l

l D I V U V

D l l o l l o n d o w l l n

w l E

l n D I W S U

l l o d m o n o o d m o d l o n n n d n o

o d o l o n o l d ( l m

o l o z n d n D I W V T Y I W V T Y

t n n d o m o n D I W W P

F o l d ( l m n E o E o l m o o

m o d F d o n n d d ' o n o

o m n d o l o m F y o l D l o m o n m

x i i i . T h e c a s e o f G e - ( 2

N ) r e c o n s t r u c t i o n o n S i ( 0 0 1 ) , w i t h N d e p e n d i n g o n t h e c o v e r a g e ( 1 - 3 M L ) h a s b e e n

r e p o r t e d

[

Z h o u e t a l . , 2 0 1 1

]

.

I I


32/240


o m d ' o n n n d F d n o o n n o n n l n

n n l n n o d n o @ d o n o n A F p s F I I

l l d n o o n o X o n o o d n ( l m

@ @ A D @ A A n d n o @ @ A D @ d A A F

F i g u r e I . 1 1 S i d e v i e w i l l u s t r a t i n g t h e t w o s t e p s d e w e t t i n g p r o c e s s . ( a ) T h e p o l y c r y s t a l l i n e l m

i s a t w i t h t h e p r e s e n c e o f a g r a i n b o u n d a r y . ( b ) F l u c t u a t i o n d u e t o t h e r m a l a c t i v a t i o n s e t s i n a t

t h e p o s i t i o n o f t h e g r a i n b o u n d a r y ( c ) T h e c r e a t e d v o i d s i s l a r g e e n o u g h t o c r e a t e a c o n t a c t a n g l e

( d ) T h e v o i d s t a r t s t o g r o w .

s l n o l d ( l m n n l d D m l l m l d ) o n X i . e . ( l m

o F o n o o d o n n o ) o n l n o o

d o o n F s n o l l l n ( l m D o n l m d

o n o n d @ p s F I I @ A D @ A A F e o n n l d n

n d o l d o o n F n D m n o

d ' o n o d o ( l m d l n n o o

o d @ p s F I I @ A D @ d A A F h o n n o m o n o o n o m o d o m @

p s F I P A D o m o n k @ e A n o @ f A F e o n n D o d o

n o n o f n d l n o n E l n o o n o o d F e o m

o n k o e d o m ( l m n d o l d l n d m n F

F i g u r e I . 1 2 T o p v i e w s h o w i n g t h e n o n - p l a n a r p r o p a g a t i o n o f t h e v o i d . T h i s r e s u l t s i n t h e p r e s e n c e

o f t h i c k e r a r e a s ( A ) w h i c h d e t a c h f r o m t h e s o l i d l m a n d b e c o m e i s l a n d s .

m l m o d l l l d n l n d o n n n d n o o l d

( l m F e n m l o n n n d n o e ( l m n o n d n

0 e t a l . D

P H H W

F r o o d o n o m o o m l n o m n D m o m o d l

n d d

n n d D P H I I Y E v o e t a l . D P H H W

@ n d n n A F

I P


33/240


I . 3 . 4 W e t t i n g d r o p l e t o n a s o l i d s u r f a c e

f o d n o D n m l o l d ( l m o m o l d l n d o n n E

d l n g F n m m n d o o n D

o l d E l d n o n k l n d l d d o l m n F m o o l o l E

l m l n k n d o l o n d n o n 9 o n

n d F

a Y o u n g ' s e q u a t i o n

n o o l d d o l @ i . e . A n n o n o l d

d n d o n n n l m d d l l E k n o n o n 9 o n

o o d n I V H S

o n D I V H S

X

liqvap cos() = solvap solliq @ s F I A

liqvap D solvap n d solliq l d E o D o l d E o n d o l d E l d

n o n D l n d

o n n l @ m d n l d A D n d

n p s F I Q F r o D l o o n n l o m D

n m D n d m n l m n m l n l d o

n d n o n o m D d 0 l o o n m n l l F d o

n n ( ( l d d l n m n o m l n n d n n o

n o d d F r o D l ( o n n n n o k n d

) F

F i g u r e I . 1 3 S c h e m e r e p r e s e n t i n g t h e w e t t i n g o f a l i q u i d d r o p l e t i n i n t e r a c t i o n w i t h a s o l i d

s u b s t r a t e .

b P r e c i s i o n s r e l a t i v e t o s u r f a c e e n e r g i e s

e ( m k o m d o n d ( n o n d o n

D n o n o n F p o l D o n l m n d

I Q


34/240


n d d n o n d l d o o k n d d o d o m

o l d l l l D n l d o o k n d d o

n @ n t F m

2A F n o n m l d n l o o

n o o l d F s n m l n o m m o n o n o n o

n m l l o o F

s n d D n o n d o n n o o e d o l o n E

F s o m o n o n d o d ' n n l o n E

n n m o n o o l d n d o k n o n l l

d ' n n o n m o o l d F

S i s u b s t r a t e s u r f a c e e n e r g y

n m n l l n

t o d n D I W T Q

o D m o n l D n d n o n

n o l d o m o l l d n m m l o n

n k e t a l . D P H H T

l l o E

l l l o n n w o d ( d i m d d d e o m w o d @ w i e w A

n e t a l . D P H H Q

o l o l l n F n o o l d l o n

d n d o n l l o o n o n l o n d l n n n l o

n n d X

Si(111) 1.2 t F m 2 < Si(110) 1.5 t F m 2 < Si(100) 1.9 t F m 2 @ s F P A

G o l d s u r f a c e e n e r g i e s

o o l d m o m o o m l D l l d l s F I

d ' n

l n o n d n l F s l o l d E o n d

o l d E l d n D o m o n n d ' n n o o d m n n d

o d o m m o n l d l X

!liqvap 1.2 t F m 2 n d

!solliq 0.13 t F m 2 F

p o l o o l d E o n solvap D d o n l n d m

o m d ' n m o n d n m l o n n l l m n l

n n F

s n d d o n D solvap m d n d n n d D o D l l o o n o n

l o n ) n l F r o D n m o m l D d ' n n solvap n H u n d

m l n m m d o n o d I H 7 o n n d w l l D I W U U D o

m n l o F

m n l o l l solvap o l s F I I F S R 0.19 t F m 2 F s o m l l

l o d d o n o k n o o n l l o o n o n

'

o n n d w l l D I W U U Y w z n d q D I W V P

F y n n l o n o D o

I R


35/240


T a b l e I . 1 S u r f a c e e n e r g y v a l u e s f o u n d i n l i t e r a t u r e f o r p u r e g o l d . T h e t e m p e r a t u r e a n d t h e m e t h o d

a r e i n d i c a t e d w h e n e x p l i c i t l y m e n t i o n e d .

(Au)i n @ t F m

2A n n

Au(111) I F P V @ H u A Au(001) I F T Q @ H u A h p o e t a l . D I W W V

Au(110) I F U H @ H u A Au(111) I F Q V @ H u A n d n Au(001) I F R W @ H u A o l E n w l n d o n n o o l o D I W W T

Au(110) I F V S @ H u A m o d Au(111) I F T I @ H u A Au(001) I F U I @ H u A A b - i n i t i o k n d o n d D I W W P

Au(110) I F U W @ H u A d o o n l

solvap I F P S @ H u A n x d n d w n ( l d D I W V W

m o d

solvap I F S @ H u A n o o n n d w l l D I W U U

I F Q S @ I Q Q T u A m o n

g l l o n

solvap I F T P @ Q H H u A o m n l w z n d q D I W V P

I F Q T @ W H H u A o o m z o n

liqvap I F I S m o d n m m o d l n e t a l . D P H H P

liqvap I F I V n D P H I H

liqvap I F Q @ Q H H u A v d d o l i e t a l . D I W W S

solliq H F I Q m o d n m m o d l n e t a l . D P H H P

solliq H F I Q h o l o n l n l l D I W S H

l l m l D l o k d @ l o n d l n A o l m o l X

Au(111) < Au(001) < Au(110) F

f o n d o l d D n o o k l n e E l l o F e n o n

o D n o l m n l d d 0 l o l F y o l D n

d n o l l o n d d d l m F e o n d o m d e t

a l . n n o n n n o D n o o l o n l n ) n

o n n o F s o l n o m n l o n o d ' n

n m n o e l l o F

k n solvap = 1.25 t F m

2 o @ I I I A n D

liqvap = 0.85 t F m2

o

e l d l l o

x d e t a l . D I W U S

D n d R Q

o n n l

l e t a l . D P H H Q

D

o n 9 o n o d n l o n o n n n d o l n d

@ (AuSi) A o H F T P t F m

2


F

s n o d o l o n n o n d o n o

d ' n D m o d n m l o o o d o e t a l . l d

liqvap = 0.91t F m

2

I S


36/240


n dsolliq = 0.8 t F m

2

o e t a l . D P H H U

F l l o o d l o

solliq = 0.75 t F m2

x o l 9 n e t a l .

x o l n n d n n D P H H Q

F

w o o D o o n o m l n o o o l d n o o o n o o m

l l o d u m e t a l . o l l n n n o l d e n d e l d

l l o X (AuSi) = 0.3 t F m 2 D V H H u

u m e t a l . D P H H W

F

I . 4 D e s c r i p t i o n o f t h e l i q u i d s t a t e : t h e p a i r - c o r r e l a t i o n

f u n c t i o n

d o l d o d m m l o n n o d o d

o m o n o m F ( o m n m n d n

l d D o m d d n d o m l F r o o m n d d o

n m n n m F d o n n d o n o o

o l o n n o n d o n o o m d n n o n o

d n o m d n l F n o n m o n n d o l d

n d m n d n E o n o n n n F

n o n D l l n o d g(r)

D l o d o n n p s F I R F s n

n d d l o l o n n o n m n d n d n n

o o n o l F n o n l z o o n @ n o m l d A

o l o n l o n n d n n l m m o o n d n o d E

n o o o m d ( n d ( D o n d D d D F F F n o F p o l l o

rD n o n n d o n l d d o d d l o n n X o o n o

o m l o d l r

n o n ) n d o o n o n o m F

n m l d D o l o n n o n n n o l o ( n d n n

o m n n o ( n k n r

n d o n n l F s n X

g(r) =V

N

n(r)

4r2r@ s F Q A

N

n m o d n l l l o d n o o l m V

n dn(r)

n m o o m l o d n r

n dr + r

F

s o l l o o n o l l m n n m o o m n d n R

o n d o m o n D l l d o o d n o n n m N

X

N = 4R2

R1

r2g(r)dr , o

rl m d o l l o ( n E n o @ s F R A

N o o n d o d n d o g(r [R1, R2]) n d o o d o

I T


37/240

I . 4 . D e s c r i p t i o n o f t h e l i q u i d s t a t e : t h e p a i r - c o r r e l a t i o n f u n c t i o n

F i g u r e I . 1 4 P a i r c o r r e l a t i o n f u n c t i o n g ( r ) a n d t h e c o r r e s p o n d i n g g r o u p s o f n e a r e s t n e i g h b o u r s

r e s p o n s i b l e f o r t h e d i e r e n t p e a k s .

I P o m o l d D o m l o m n m n F

h n n E o n o n m n o z n l d D m d n

o @ A @ m o m n m n d ( n d n o n s s F I F P A D

l d o g(r)

X

S(Q) = 1 +

0

(g(r) 1)e iQr dr@ s F S A

e m l p o n o m o @ A o l l o o d d m n l

o l o n n o n F

I U


38/240


I . 5 L i q u i d - s o l i d p h a s e t r a n s i t i o n

x o n l d n d o o l o d D l l d

o m o l o o l d ( o n o D i . e . o n o o l d o m

l d F e n m o n o n n d o l d E o l d n o n

l d d o n o n o m n o o l d o o n m l n o n d F e l d n d

o o o l d l o m l n o n n o d o o m l F n o m n o n

l l d o o l n o n d o o l n F o o n d o p n n

I U P R o o d d ( o o l n m n o n l d

x i v

p n D I U P R

F

s n l l o n l d n d o o o m n n o n o m

n o o l d F d d n l l n l o n o ) n d

F o D d o n l o k o f k

f k n d h o n D I W Q S Y f k D

I W Q V

D n d l o d n l l

n l l n d p D I W R W Y n l l D I W S H d

n o m l d n o n d o n o o m o n o o l d l o m m l

n d o z o l o l m F

I . 5 . 1 S u p e r c o o l i n g : t h e r m o d y n a m i c a n d c l a s s i c a l m o d e l

e n o n D o l d ( o n o n n D o l m n d n o n

o n l G

n

x v

X

Gs = Hs TSs @ s F T A

T

m @ u A D H

n l o n @ l d o n o

m l o n d A n d S

n o o n @ l d o l o n z o n A F e

m l n m Tm D o n n o n o n G m l Gsolid = Gliquid

n d o m X

Gs = 0 Ss = HsTm

@ s F U A

o D o n @ s F T A o m o T = Tm X

Gs = TmHsTm

THsTm

Gs = THsTm

,

T o o l n l F @ s F V A

x i v . I t i s w o r t h m e n t i o n i n g h e r e t h a t e v e n f o r w a t e r , t h e m o s t c o m m o n l i q u i d , t h e s o l i d i c a t i o n p r o c e s s i n

n o t c o m p l e t e l y u n d e r s t o o d .

x v . t h e i n d e x ' s ' s t a n d s f o r s o l i d i c a t i o n

I V


39/240

I . 5 . L i q u i d - s o l i d p h a s e t r a n s i t i o n

e k l o o k n o Gs l l o o k n o o n o n o n n

d F Ss n o o l d ( o n o @ o n o o d A X

T > Tm T < 0 Gs > 0 o l d ( o n m o l

T < Tm T > 0 Gs < 0 o l d ( o n o l @ s F W A

( n o n o D l d m o o l d o n

o o l d F x l D m o d n m o n l

Documents

Formation and supercooling of AuSi eutectic droplets on Si substrates: an in-situ study using synchrotron radiation