Out-of-equilibrium dynamics: examples in surface science
Dynamique hors-équilibre : Quelques exemples en physique des surfaces
Résumé
In this dissertation, the out-of-equilibrium dynamics of crystalline surfaces have been studied.We have emphasized on solid state dewetting of single crystalline thin films and morphological instabilities induced by electromigration. On an experimental viewpoint, Low Energy Electron Microscopy and Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering provide real time and in situ information. In particular we show that solid state dewetting of Silicon and Germanium thin films onto Silica give rise to dendritic like instabilities driven by the gain of surface/interface energies and kinetically limited by ad-atoms surface diffusion mechanisms. The central role of dewetting front faceting on morphological instabilities is highlighted ; in particular some crystallographic orientations reduce the dewetting front speed and favour stable and straight fronts. The morphological instabilities induced by electromigration on vicinal surfaces of Silicon provide the opportunity to study mono-atomic step-step interactions. We show that these repulsive interactions favour the successive development of a step density wave then a faceting of the whole surface at long times. At last, the self-organized growth of Pd nanostructures onto an oxidized surface of Ni3Al is presented. We end up with some perspectives concerning the dynamics of the solid-solid-vapor triple line as well as the technique of Low Energy Electron Microscopy.
Dans ce mémoire sont abordées quelques études sur la dynamique hors-équilibre des surfaces cristallines. L'accent est porté sur le démouillage de films minces monocristallins et sur les instabilités morphologiques induites par électromigration. Sur le plan instrumental, la Microscopie à Electrons Lents et la Diffusion Centrale des Rayons X en Incidence Rasante nous ont permis d'accéder à la dynamique des phénomènes in situ et en temps réel. Nous montrons que le démouillage à l'état solide des films minces de Silicium et de Germanium sur Silice conduit à des instabilités dendritiques du front de démouillage pilotées par le gain d'énergie de surface/interface et cinétiquement contrôlées par la diffusion de surface des adatomes. Le rôle central du facettage sur les instabilités morphologiques du front de démouillage est étudié en détails, en particulier certaines orientations cristallines limitent la vitesse de recul du front de démouillage et favorisent le développement de fronts droits stables. Les instabilités morphologiques induites par électromigration sur les faces vicinales de Silicium sont un moyen d'étudier les interactions élastiques entre marches atomiques. Nous montrons que ces interactions favorisent le développement successif d'une onde de densité de marches puis d'un facettage périodique de la surface aux temps longs. Enfin est abordée l'étude de la croissance auto-organisée de nanostructures de Pd sur une surface oxydée de Ni3Al et nous terminons par quelques perspectives concernant l'étude de la dynamique de la ligne triple solide-solide-vapeur ainsi que sur la technique de Microscopie à Electrons Lents.