Caractérisation structurelle et optimisation des propriétés de diffraction des cristaux à gradient de maille Si_1-xGe_x crûs par déposition chimique

Klaus-Dieter Liss

Résumé
La première partie développe et traite deux modèles théoriques pour la description des propriétés de diffraction du rayonnement neutronique et X des cristaux à gradient de maille, un dans le cadre de la théorie cinématique, l'autre en s'appuyant sur une méthode de matrices de transfert basée sur la théorie de diffraction dynamique. La première méthode délivre des résultats analytiques et peut être utilisée pour obtenir la largeur, l'origine des oscillations caractéristiques dues au gradient de la courbe de réflexion, tandis que la deuxième délivre les distributions d'intensité exactes déterminées par l'extinction. Cette dernière décrit le couplage des deux fonctions d'onde diffusées en avant et en direction de Bragg à travers une lame de cristal plan parallèle par une matrice. Cette méthode permet de décrire tous les média cristallins dont les propriétés évoluent le long de la normale commune des interfaces.

Des nouveaux cristaux Si_1-xGe_x  à gradient de maille avec 0 < x < 0,4 ont été fabriqués par déposition de vapeur chimique pour la première fois en grande surface avec un taux de croissance de 0,6 µm/min. Les épaisseurs peuvent atteindre plusieurs 100 µm. Ses structures ont été caractérisées par la microscopie optique et électronique, par microsonde et par leurs propriétés de diffusion. Ces dernières livrent la distribution mosaïque et le gradient de maille. En particulier on a trouvé une déformation tétragonale du réseau cristallin qui s'explique par la différence de la dilatation thermique entre les couches. L'anisotropie de la mosaïcité démontre l'existence de dislocations dues à la différence des paramètres de maille.

Les propriétés de diffraction ont été testées par plusieurs techniques en très haute résolution en espace réciproque tant que la rétrodiffusion et spectrométrie par temps de vol neutronique ainsi que l'utilisation d'un diffractomètre à trois cristaux à hautes énergies X. Les courbes de réflexion calculées par la méthode des matrices de transfert s'adaptent bien aux résultats expérimentaux.

Du point de vue d'un monochromateur neutronique, les résultats montrent une augmentation de l'intensité de 25 par rapport à la fonction de résolution instrumentale. En comparant cette valeur avec la valeur théorique d'un cristal de silicium parfait, on obtient un facteur de 40. En vue de cette étude de faisabilité et pour une meilleure caractérisation, les gradients de maille ont été fabriqués trop raides, ainsi que la réflectivité maximale de 100 % ne pouvait pas être atteinte. Dans cet exemple l'élargissement du vecteur de diffusion était 70 fois la largeur naturelle d'un cristal parfait et a été poussé avec Dd/d = 1,4·10^-2 à un facteur 700!

K.-D. Liß, ìStrukturelle Charakterisierung und Optimierung der Beugungseigenschaften von Si _1-x Ge _x Gradientenkristallen, die aus der Gasphase gezogen wurdenî . Dissertation, Rheinisch Westfälische Technische Hochschule Aachen, (27 Octobre 1994) 

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