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Comité de rédaction : E. Molva, J. Planès (DIR), P. Dalmas de Réotier (SPSMS), Th. Douki (SCIB),
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Contact : Christophe Marcenat - SPSMS - [email protected]
Surprenant car le silicium, matériau omni-
présent dans la microélectronique d’aujourd’hui,
est l’archétype du semi-conducteur : isolant à
très basse température, il devient conducteur à
température ambiante. L’introduction d’autres
espèces chimiques, tel le bore ou le phosphore
jouant le rôle d’accepteurs ou de donneurs d’é-
lectrons, à très petites doses permet de contrôler
localement la conductivité électrique et par là
même de fabriquer des dispositifs électroniques.
Une longue quête
L’idée de rendre le silicium supraconducteur
date de la fin des années 40 mais les tentatives
avaient été jusque-là infructueuses. Il devient
bien supraconducteur sous des pressions pro-
ches de 10 GPa, mais sous une autre forme cris-
talline. La découverte en avril 2004 de la supra-
conductivité du diamant très fortement dopé au
bore a relancé la problématique, la structure
électronique des deux matériaux étant très simi-
laire. Des calculs très récents prédisaient que la
supraconductivité du silicium dopé serait mesu-
rable, toutefois pour des taux de dopage bien
supérieurs à la limite de solubilité du bore (de
l’ordre de 1% atomique), pour laquelle un maté-
riau homogène ne peut pas être obtenu à l’équi-
libre thermodynamique.
Une synthèse assistée par laser…
Pour dépasser cette limite et réussir à substi-
tuer des taux aussi élevés d’atomes de silicium
par du bore, nos collègues d’Orsay ont mis en
oeuvre une technique de dopage appelée GILD
(Gas Immersion Laser Doping). Un échantillon
de silicium, à la surface duquel est adsorbé un
gaz contenant du bore, est soumis à une impul-
sion laser très brève (25 ns) qui provoque sa
fusion superficielle sur une épaisseur de
quelques nanomètres. Le bore diffuse dans le
silicium liquide, puis reste figé dans le silicium
lors de la phase de cristallisation qui suit l’impul-
sion laser (figure 1). En répétant cette opération
200 fois, nous avons ainsi obtenu du silicium
contenant jusqu’à 9% de bore.
… d’échantillons supraconducteurs
Placés dans un cryostat à dilution (figure 2)
qui permet d’abaisser leur température jusqu’à
0,05K, les échantillons les plus dopés ont vu leur
résistance électrique diminuer jusqu’à s’annuler.
Ils ont également présenté à basse température
des propriétés d’écrantage magnétique typique
de la supraconductivité de type II (voir figure 3 et
l’encart). Des calculs ab initio faits à Lyon en
admettant que les atomes de bore sont en site
substitutionnels, indiquent une origine « conven-
tionnelle » de la supraconductivité. L’hypothèse
sur la localisation des atomes de bore a été vali-
dée par des mesures de diffusion Raman au
CNRS de Grenoble.
La maturité de la technologie associée au
silicium laisse présager le développement pro-
chain de dispositifs supraconducteurs innovants
utilisant des microstructures hybrides semi-
conductrices et supraconductrices. Ces dispositifs
permettront de tester des modèles théoriques sur
la supraconductivité.
supraconductivité
F EUILLE
R OUGE
La
SUPER SILICIUM
En collaboration avec des équipes du CNRS et de différentes universités françaises, nous venons de montrer que le silicium, dopé par
5 à 9 % d’atomes de bore, devenait supraconducteur, phénomène quantique macroscopique où le courant électrique se propage avec une résis-
tance nulle, à des températures très basses de l’ordre de 0,4 K.
Propriétés magnétiques
des supraconducteurs
Outre leur résistance électrique
nulle, les supraconducteurs présen-
tent une autre propriété importante :
ils écrantent parfaitement le champ
magnétique dans leur volume, pour-
vu que le champ extérieur soit infé-
rieur à une valeur limite dépendant
du matériau et appelée champ cri-
tique. Dans la majorité des cas il
existe également un deuxième champ
critique. On parle alors de supracon-
ducteur de type II. Entre ces deux
champs, un état mixte apparaît avec
des régions où le matériau est supra-
conducteur et d’autres où il est nor-
mal.
Ces propriétés magnétiques sont
mises à profit pour la détection d’un
état supraconducteur. Un écrantage
total du champ magnétique dans le
matériau confère à ce dernier une
susceptibilité χ’ égale à -1 pour des
champs suffisamment petits. On
considère que la susceptibilité
magnétique est une meilleure carac-
térisation d’un matériau supracon-
ducteur que la résistivité. En effet il
peut suffire qu’une très faible frac-
tion du volume de l’échantillon soit
supraconductrice pour annuler la
résistance entre les électrodes de
mesure tandis que, dans la géomé-
trie utilisée ici, la susceptibilité
magnétique sonde mieux l’échan-
tillon.
Figure 3 : Dépendance en température de la susceptibi-
lité χ ‘, mesurée en champ alternatif, et de la résistance R
relative à celle observée à l’état normal Rnpour une cou-
che mince de 35 nm de Si:B.
Figure 1 : Principe de la synthèse d’un
échantillon de silicium (Si) fortement
dopé au bore (B).
Figure 2 : Mise en place de l’échantillon dans le
cryostat à dilution.