Dynamique non linéaire de surfaces vicinales hors de l'équilibre
Ce travail de thèse constitue une contribution théorique à la dynamique non linéaire des surfaces vicinales portées hors de l'équilibre thermodynamique. Ce travail s'insère dans la problématique générale de la dynamique non linéaire des systèmes dissipatifs.
Les surfaces vicinales sont obtenues par coupe d'un cristal le long d'une direction légèrement inclinée par rapport à un plan dense. La structure qui en résulte est composée d'une succession de terrasses séparées par des marches monoatomiques. Une telle surface présente un réel intérêt pour la croissance par jet moléculaire. Les marches étant des sites de nucléations préférentiels, lorsque les conditions de croissances sont favorables, on serait en principe capable de faire croître le solide couche par couche, donc de contrôler la croissance à l'échelle de l'atome.
Or, et c'est là le point principal du présent travail, la croissance d'une surface vicinale conduit inévitablement à des instabilités qui puisent leurs origines dans les processus hors de l'équilibre, moteurs de la croissance.
Deux instabilités principales se manifestent : le méandre des marches (les marches droites deviennent spontanément modulées, conduisant par là même à des modulations de la surface) et la mise en paquets des marches (les marches se regroupent, formant des macro-marches séparées par de larges terrasses).
C'est sur ces deux instabilités qu'a porté notre étude.
Nous avons dérivé des équations d'évolution non linéaires à partir des concepts microscopiques et avons analysé leurs comportements.
| Mots clé : | Dynamique non linéaire | Surface vicinale | MBE |
| Croissance cristalline | Step-bunching | ||
| Thermodynamique hors équilibre | Step-meandering |
Non linear dynamics of vicinal surfaces driven out of equilibrium
The present thesis has focused on a theoretical study of nonlinear dynamics of vicinal surfaces driven out of equilibrium. This contribution can be put into a more general context, namely nonlinear dissipative systems.
Vicinal surfaces are obtained by cutting a crystal along a slightly tilted direction with respect to a densely packed plane. The ideal resulting morphology is an array of equidistant steps separated by large terraces. This morphology presents an interest for growth by step flow. Indeed steps are favorable nucleation centers for landings atoms (adatoms). If the incoming flux is not too large, the adatoms have ample time to reach the steps, leading thus to a growth by steps advancement, and thus to a layer by layer growth control. This process markedly contrasts with growth occurring mainly by 2D nucleation on high symmetry ``singular'' surfaces. However, when steps move under an out-of-equilibrium condition, they may suffer morphological instabilities leading to surface modulations.
Two major instabilities are identified: the step meandering (steps wander significantly, in that the amplitude modulation is much larger than the natural thermal fluctuation), and step-bunching (steps form a ``jam'' like structure). This thesis has focused on these two instabilities, and the main purpose is how to describe in an effective manner mesoscopic surface evolution from the knowledge of microscopic processes.