Imperfections de la structure cristalline, en particulier les luxations de bord de nature allongée, modifier profondément les propriétés de base de l'ensemble du matériau et, en conséquence, limiter drastiquement ses applications. En utilisant le carbure de silicium comme exemple, des physiciens de Cracovie et de Varsovie ont montré que même des défauts aussi exigeants en calcul peuvent être examinés avec succès avec une précision atomique au moyen d'un système intelligemment construit, de petite taille, maquette.

Les mathématiques aiment la perfection. Malheureusement, la perfection n'aime pas la réalité physique. Les théoriciens modélisant les cristaux ont longtemps essayé d'inclure les défauts dans les structures cristallines réelles et de prédire leur impact sur les propriétés physiques des matériaux. Les modèles, sur la base des résultats de diverses expériences, ont décrit des changements dans les propriétés de base d'un matériau sans expliquer les causes et les effets réels des phénomènes qui se produisent.

Un nouveau modèle de carbure de silicium (SiC), construit par des physiciens de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, leur a permis de démontrer qu'il est désormais possible d'étudier ab initio des cristaux présentant des défauts aussi complexes que les dislocations de bord et d'expliquer leurs caractéristiques par des processus se déroulant à l'échelle atomique. Ce résultat spectaculaire, récemment présenté à la conférence Multiscale Phenomena in Molecular Matter 2019 à Cracovie, a été réalisé par les physiciens de la FIJ PAN en coopération avec l'Institut de recherche technologique fondamentale de l'Académie polonaise des sciences et l'Institut de physique des hautes pressions de l'Académie polonaise des sciences, tous deux situés à Varsovie.

"Nous avons essayé de trouver les mécanismes responsables au niveau atomique de l'abaissement de la tension de claquage dans les cristaux de carbure de silicium. Nos calculs ab initio conduisent à une compréhension qualitative du problème et contribuent à expliquer les détails de ce phénomène, " dit le Dr Jan Lazewski, professeur à la FIJ PAN.

Les calculs ab initio ont maintenant une longue histoire liée au prix Nobel pour Walter Kohn et John Pople en 1998 (cependant, ils n'ont été introduits que récemment pour les simulations de défauts cristallins linéaires). Ce terme est utilisé pour décrire des calculs effectués à l'aide d'équations de la mécanique quantique, soutenu uniquement par la connaissance de la structure de l'atome et de la symétrie des cristaux. Il n'y a pas d'informations directes provenant d'expériences dans de tels modèles, ce qui signifie qu'ils peuvent également être utilisés pour analyser des matériaux qui n'ont jamais été étudiés ni même synthétisés auparavant. En raison de la complication relativement importante de la question, jusqu'à présent, les calculs ab initio ont fonctionné, au plus, en cas de défauts ponctuels, liés aux lacunes (atomes manquants ou trous dans la structure cristalline) ainsi qu'aux adjuvants introduits dans le cristal.

Ce n'est pas sans raison que les chercheurs de Cracovie ont utilisé le carbure de silicium. Les propriétés de ce semi-conducteur sont si intéressantes qu'il a même été considéré dans le passé comme un successeur du silicium. Sa bande interdite (la barrière que la charge doit franchir pour passer de la bande de valence à la bande de conduction et conduire le courant) est presque trois fois supérieure à celle du silicium, la densité de courant de conduction admissible - deux fois plus grande, la capacité de dissiper la chaleur, plus de trois fois supérieure, et la fréquence de coupure du fonctionnement du cristal jusqu'à six fois plus grande. En outre, les systèmes de carbure de silicium peuvent fonctionner à des températures allant jusqu'à 650 degrés Celsius, tandis que les systèmes au silicium commencent déjà à avoir des problèmes à 120 degrés Celsius. Le SiC a également un point de fusion élevé, c'est difficile, résistant aux acides et aux radiations. Ses inconvénients sont surtout le prix :alors que les plaquettes de silicium de deux pouces ne coûtent que quelques dollars, la valeur de plaquettes de carbure de silicium similaires se chiffre en milliers. Les cristaux de carbure de silicium de faible qualité sont un matériau abrasif populaire, également utilisé dans les gilets pare-balles et dans les disques de frein des voitures les plus chères du monde, comme Lamborghini ou Bugatti. Des cristaux de haute qualité sont utilisés pour produire des miroirs pour télescopes et dans des appareils haute tension à haute résistance à la température.

Au niveau atomique, les cristaux de carbure de silicium sont composés de plusieurs couches plates disposées les unes sur les autres. Chaque couche ressemble à un nid d'abeilles :elle est constituée d'alvéoles hexagonales dans lesquelles les molécules de carbure de silicium sont situées verticalement dans les coins. Chacune des deux couches adjacentes peut être combinée de trois manières. Les « sandwichs » multicouches avec différentes dispositions créent des polytypes, dont il en existe plus de 250 dans le cas du carbure de silicium. Le groupe de l'IFJ PAN a utilisé le polymorphe 4H-SiC.

"Lors de la modélisation de telles structures, l'un des principaux problèmes est la complexité de calcul. Un modèle de cristal pur, dépourvu de mélanges ou de luxations, se caractérise par une symétrie élevée et peut être calculé même en quelques minutes. Afin de réaliser un calcul pour un matériau avec dislocation, nous avons besoin de mois de travail sur un ordinateur haute puissance, " souligne le Dr Pawel Jochym, professeur à la FIJ PAN.

Les problèmes avec les dislocations de bord résultent de l'ampleur de leur influence sur la structure cristalline du matériau. Pour illustrer, ils peuvent être comparés au problème de masquer un espace dans une rangée de carreaux sur un sol. L'espace peut être « camouflé » en déplaçant les tuiles des rangées adjacentes, mais le défaut restera toujours visible. Les dislocations de bord résultant du manque de longueurs entières ou de régions d'atomes/molécules dans les couches cristallines individuelles agissent de la même manière, affectant les positions des atomes et des molécules dans de nombreuses couches adjacentes. Et comme les luxations peuvent s'étendre sur de longues distances, en pratique, les perturbations qu'elles provoquent s'étendent à l'ensemble du cristal.

Les phénomènes les plus intéressants ont lieu dans le noyau de dislocation, c'est-à-dire au voisinage du bord de la couche endommagée du réseau cristallin. Afin d'éliminer les effets à longue portée causés par une seule luxation, et ainsi réduire significativement le nombre d'atomes considérés, une ruse a été employée :une seconde dislocation de l'effet inverse a été introduite. De cette façon, l'impact de la première luxation sur des distances plus longues a été compensé.

Le modèle cristallin de SiC se composait d'environ 400 atomes. Les simulations ont montré que dans les couches de cristaux, le long du bord du noyau du défaut, des « tunnels » apparaissent sous la forme de canaux à densité de charge réduite. Ils abaissent localement la barrière de potentiel et provoquent une « fuite » des charges électriques de la bande de valence. En outre, dans la brèche interdite, qui dans l'isolant garantit un manque de conductivité électrique, apparaissent des conditions qui réduisent sa largeur et son efficacité à limiter le flux de charge. Il a été montré que ces états proviennent d'atomes situés dans le noyau de dislocation.

« La situation peut être comparée à une profonde, ravin escarpé qu'un écureuil essaie de traverser. Si le fond du ravin est vide, l'écureuil n'ira pas de l'autre côté. Cependant, s'il y a un certain nombre d'arbres au fond qui sont assez hauts, l'écureuil peut sauter par-dessus leur cime de l'autre côté du ravin. Dans le cristal que nous avons modelé, les écureuils sont les charges électriques, la bande de valence est un bord du ravin, la bande de conduction est l'autre, et les arbres sont les états précités associés aux atomes du noyau de dislocation, " dit le Pr Lazewski.

Maintenant que les mécanismes responsables de l'abaissement du seuil de la barrière énergétique sont connus au niveau atomique, il y a un vaste champ d'expérimentation. Le mécanisme proposé devra être vérifié afin de pouvoir l'utiliser pour limiter l'influence négative des défauts testés. Heureusement, il existe déjà des possibilités techniques pour cela.

« L'avenir vérifiera si nos idées seront confirmées dans leur intégralité. Cependant, nous sommes confiants quant au sort de notre modèle et à l'approche présentée pour simuler les dislocations de bord. On sait déjà que le modèle ab initio a fait ses preuves face à certaines données expérimentales, " conclut le Pr Jochym.