Etude par simulations et calculs atomistiques, de la formation de dislocations aux défauts de surface dans un cristal de silicium soumis à des contrainte - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2004

Study of dislocation nucleation from a surface step of a stressed
silicon crystal, by atomistic calculations

Etude par simulations et calculs atomistiques, de la formation de dislocations aux défauts de surface dans un cristal de silicium soumis à des contrainte

Julien Godet

Résumé

During this thesis, we have studied the dislocation nucleation from a surface step of a stressed silicon crystal. In order to determine the most appropriate inter-atomic potential for this study, we have compared the semi-empirical potentials of Stillinger-Weber (SW), Tersoff and EDIP with ab initio methods on the homogeneous shear
calculations {111} <110> of bulk silicon, and the generalized stacking fault energy along the {111} planes. The ab initio calculations show the strain localization in the shuffle set planes, and at large strains, that the covalent bonds of these planes become temporarily metallic. For our study, we have chosen the SW potential which is the most appropriate for representing these shear properties.
With the inter-atomic potentials, mainly the SW potential, we have modelled a silicon crystal with surface steps which has been submitted to different stress orientations. The results show that the surface steps are privileged sites for the onset of plasticity. The strains analysis shows the dislocation nucleation, in particular perfect
60°,slipping in the shuffle set planes. Moreover, the kind of the nucleated dislocation can be determined by the resolved shear stress along the glide planes and the Peierls stresses. No elastic shear is present in the plane where the nucleation will occur, conversely to metals, the non linear coupling between tension and shear stress of the glide planes being then relatively small in semi-conductors. This nucleation mechanism has been confirmed by an ab initio calculation, where a 60° dislocation has been nucleated in the shuffle set plane. Moreover, we have shown that the surface dangling bonds make easier the breaking/rebonding of the atomic bonds required for nucleation.
Dans cette thèse, nous avons étudié au moyen de simulations atomistiques, la nucléation des dislocations à partir de marche de surface dans un cristal de silicium soumis à des contraintes. Afin de déterminer le potentiel interatomique le mieux approprié à cette étude, nous avons comparé les potentiels semi-empiriques de Stillinger-Weber (SW), Tersoff et EDIP avec des méthodes ab initio sur des calculs de cisaillement homogène {111} <110> du silicium massif, et d'énergies de défauts d'empilement généralisés sur les plans {111}. Les calculs ab initio montrent que la déformation se localise dans les plans du shuffle set, et pour de fortes déformations, les liaisons covalentes de ces plans deviennent métalliques. Pour notre étude, nous avons choisi le potentiel SW qui représente le mieux ces propriétés de cisaillement. A l'aide des potentiels interatomiques, principalement le potentiel SW, nous avons modélisé un cristal de silicium comportant des marches de surface que nous avons soumis à diverses orientations de contraintes. Nous avons montré que
les marches sont des sites privilégiés pour l'initiation de la plasticité.
L'analyse des déformations montre la nucléation de dislocations, en
particulier de type 60°, qui ont glissé systématiquement dans des plans du shuffle set. De plus, le type de dislocation nucléée dépend de la contrainte de scission résolue le long des plans de glissement et de la contrainte de Peierls. L'absence de cisaillement précurseur de la nucléation indique un couplage relativement faible entre tension et cisaillement des plans de glissement, contrairement aux métaux. Ce mécanisme de nucléation a été validé par un calcul ab initio, où une dislocation 60° a été nucléée dans un plan du shuffle set. Cependant, l'activation de ces sources est difficile pour les marches de faible hauteur. Finalement, nous avons montré que les liaisons pendantes de surface facilitent la rupture/recombinaison des liaisons atomiques
nécessaires à la nucléation.
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Dates et versions

tel-00154364 , version 1 (13-06-2007)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00154364 , version 1

Citer

Julien Godet. Etude par simulations et calculs atomistiques, de la formation de dislocations aux défauts de surface dans un cristal de silicium soumis à des contrainte. Matière Condensée [cond-mat]. Université de Poitiers, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00154364⟩
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