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Résumé

Le travail présenté dans ce mémoire concerne l'étude des surfaces et des interactions de surface abordée selon deux thèmes principaux: la création des défauts d'interface générés par les contraintes mécaniques lors de la croissance cristalline hétéroépitaxiale et les applications aux capteurs chimiques. Un logiciel de simulation de la croissance cristalline des semiconducteurs composés a été développé. Les lois d'interaction atomiques sont celles des forces de valence valables aux petites déformations et les mouvements atomiques sont gérés par des lois d'Arrhénius selon une procédure de Monte Carlo. Ce logiciel permet de prendre en compte explicitement les contraintes générées aux interfaces et autorise la formation des défauts de structure. Il montre clairement, que les atomes se trouvant aux points de contraintes maximales migrent sur les couches supérieures, formant des lacunes et provoquant l'apparition d'ilôts dont les faces sont des plans de type (111). Il montre aussi que la croissance sur ces facettes est possible et que les dislocations d'interface apparaissent par alignement des lacunes générées et coalescence des ces ilôts. Les obstacles au développement des capteurs chimiques intégrés sur Silicium sont liés, dans beaucoup de cas, à la difficulté de comprendre et maîtriser les processus réactionnels sur les surfaces. Ce problème est abordé dans le cas des capteurs de gaz (capteur à effet de champ, capteur à oxydes semiconducteurs) et des capteurs électrochimiques en phase liquide. Des structures originales, et des solutions technologiques sont proposées dans les deux cas. En conclusion, des éléments de prospective sont proposés, orientés d'une part vers la mise en place d'outils de simulation à l'échelle atomique et d'autre part, vers le développement de dispositifs et de systèmes visant à des applications essentiellement dans le domaine de la biologie.

Abstract

In this thesis we present some studies dealing with surface interactions focussing on interface defects nucleation during heteroepitaxial growth of semiconductor compounds and chemical sensors applications. A software which is able to simulate the heteroeptixial growth of semiconductors has been developed. Atomic interactions are described with the help of the Valence Force Field Approximation and atomic movement are given by Arrhnius laws, following a Monte Carlo technique. This simulator allows to take into account the interfacial mechanical stress and allows the creation of cristalline defects. It is clearly shown that atoms located on high stress position migrate towards upper layer leading to vacancies generation and to the nucleation of islands whose facets are (111) planes. It is also shown that these facets can grow up and that mismatch dislocations appears due to vacancies alignment and islands coalescence. The difficulty to develop reliable chemical sensors is due, in most of cases, to the bad understanding and the poor control of interaction mechanism at surfaces. This problem has been studied in the case of some gas sensors (field effect sensor and SnO2 sensor) and electrochemical sensors working in aqueous phase. New structures are proposed as well as technological possibilities. In the last part, we propose some some atomic scale studies and some technological development for biological applications.

Mots-Clés / Keywords

Microsystems; Microtechnology; Chemical sensors; Heteroepitaxial growth; Mismatch dislocation; Interface defects; Atomic scale simulation; Microsystèmes; Microtechnologies; Capteurs chimiques; Hétéroépitaxie; Défauts d¿interface; Simulation à l'échelle atomique;