Thèse soutenue le 19 octobre 2007 Jamal Tallal Directeur de thèse : Patrick Schiavone
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Transcript of Thèse soutenue le 19 octobre 2007 Jamal Tallal Directeur de thèse : Patrick Schiavone
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Développement de techniques de fabrication collectives de dispositifs
électroniques à nanostructure unique
Thèse soutenue le 19 octobre 2007
Jamal Tallal
Directeur de thèse : Patrick Schiavone
Encadrant de thèse :David Peyrade
2 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
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IntroductionContexte
Développement Micro / nanoélectronique
Diminution des dimensions caractéristiques.
Motifs < 30 nmEffets physiques perturbateurs !!!
(Courant de fuite, effet quantique …)
www.rtb.cnrs.fr
3 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
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Nanofabrication Localisation
Contraintes dimensionnelles Contraintes technologiques.
IntroductionContexte
Une voie prometteuse : Intégration d’objets nanométriques.
CNTs (qq µm x qq nm) - Colloïdes (µm à nm)Nanocristaux par CVD (<10 nm) - Molécules (< 5 nm) …
CaractérisationObservation de phénomènes quantiques :
effet tunnel, blocage/paliers de Coulomb …
4 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Introduction
Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Caractérisation de démoulants par nanoindentation
Procédés technologiques développés
Localisation de colloïdes par diélectrophorèse Observation des particules en suspension
Localisation d’une particule unique
Transport électrique A température ambiante
A T° = 4,2 K
Paliers de Coulomb dans le cas d’un colloïde d’or de 50 nm de diamètre
Conclusion
Plan
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IntroductionRappel sur le blocage de Coulomb
Passage d’un électron au travers de la barrière tunnelξ = e2/2C
Métal 1(Source) Isolant
Métal 2(Drain)
VDS
EF1 EF2
VDS = 0 V
EF1
EF2
-eVDS
VDS ≠ 0 VJonction MIM
EF1 EF2
-eVDS
e-
ξ
ΔE = EF1 – EF2 = eVDS – e²/2C > 0eVDS > e²/2C VDS > e/2C
Passage du courant !
EF1
EF2
-eVDS
e-
ξ
ΔE < 0eVDS < e²/2C VDS < e/2C
Courant nul !
6 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
IntroductionRappel sur le blocage de Coulomb
Blocage de Coulomb
VDS
IDS
-e/2C
e/2C
• VDS > e/2C IDS ≠ 0
• VDS < e/2C IDS = 0
Energie électrostatique >> Energie d’agitation thermique. ξ=e2/2C >> kBT
Conditions particulières
F3.10T2k
eC 18
B
2Blocage de Coulomb à 300 K si :
Contraintes dimensionnelles ~ 25x25 nm2 !!!
VDS
Jonction MIM
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IntroductionRappel sur les paliers de Coulomb
Métal(Drain)
Isolant
MétalMétal(Source)
VDS
V1 V2
RT1, C1 RT2, C2
Jonction tunnel 1
Jonction tunnel 2
IlotSource Drain EF1
EF2
-eV1
-eV2
EF3
VDS ≠ 0 V
Jonction MIMIM
e/2C2VDS
IDS
-e/2C1
RT1 ≠ RT2
Passage d’un électronξ = e2/2(C1 + C2)
e-
EF1 EF2
-eV1
-eV2
EF3
ξ
e-
EF1
EF2
-eV1
-eV2
EF3
ξ
VDS > e/2C2
Passage du courant !
VDS < e/2C2
Courant nul !
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IntroductionRappel sur les paliers de Coulomb
RT1=1 MΩ RT2=10 GΩ
C2=1.10-18 FC1=5.10-20 F
VDS
V1 V2
Influence de la température :
Condition 1 : Energie électrostatique >> Energie d’agitation thermique.Condition 2 : RT1 << RT2 Accumulation des électrons au borne de la jonction 2.
)C(C2R
eΔI
21T2
2DS C
eΔV
∆I
∆VDS
http://qt.tn.tudelft.nl/
9 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
2 technologies possibles
Fabrication directe d’architectures électroniques
Fabrication de structures d’adressage (électrodes …)
Caractérisations électriques
Localisation de nanostructures
CNTsColloïdesNanocristauxMolécules…
IntroductionStratégies de fabrication d’architectures à nanostructure unique
10 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
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IntroductionStratégies de fabrication d’architectures à nanostructure unique
Stratégies conventionnelles
Lithographie électronique + dépôt AFM/STM en mode lithographique
Manipulation par sonde locale
Grille
Drain
Ilot
Source 30 nm
Y. Nakamura, C. Chen, et al. Jpn. J. Appl. Phys. 35, p.1465 (1996).
K. Matsumoto, M. Ishii, et al. Appl. Phys. Lett. 68, p.34 (1996).
T. Junno, S.-B. Carlsson, et al. Appl. Phys. Lett. 72, p.548 (1998).
11 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
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Fonctionnalisation de surface Champ électrique / magnétique
IntroductionStratégies de fabrication d’architectures à nanostructure unique
Stratégies alternatives
Assemblage par force de capillarité.
Métal
Substrat
Résine
Colloïdes
Y. Cui, M. T. Björk, et al. Nano Letters 4, p.1093 (2004).
D. L. Klein, R. Roth, et al. Nature 389, p.699 (1997).S H. Hong, H. K. Kim, et al. J. Vac. Sci. Technol. B 24, p.136 (2006).
12 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
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IntroductionStratégies de fabrication d’architectures à nanostructure unique
Conclusion
Techniques AFM / STM CapillaritéFonctionnalisation
de surfaceChamp électro-
magnétiqueDépôt aléatoire
Objet Unique Oui Oui Non Oui Non
Taille et type d’objetsMotifs en or 20 - 30 nm
Colloïdes~ 30 nm
Nanocristaux CdSe< 10 nm
Colloïdes~ 40 nm
Particules de Si< 10 nm
Fabrication parallèle / série Série Parallèle Parallèle ? Parallèle
Blocage de CoulombObservéà 300K
Observéà 300K
Observé ObservéObservéà 300K
Modulation de la tension de grille
Non observé Non observé Observé ObservéObservéà 300K
Diamant de Coulomb Non observé Non observéObservéà 4,2K
Non observé Non observé
Localisation par champ électrique : Simple / faible coût / objet unique / technique globale.
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Introduction : Stratégies choisies
2 technologies possibles
Fabrication directe d’architectures électroniques
Fabrication de structures d’adressage (électrodes …)
Caractérisations électriques
Localisation de nanostructures
CNTsColloïdesNanocristauxMolécules…
14 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
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Introduction : Stratégies choisies
Stratégies de fabrication de structures d’adressage
Nanoimpression : Technique globale / faible coût / flexible / haute résolution …
90 µm65 µm
65 µm
30 - 200 nm
Stratégies de localisation
Technique de localisation : La diélectrophorèse Facilité de mise en œuvre / intégration de nanostructure unique / Grande variété d’objets manipulables …
Les colloïdes Faible coût / large gamme de taille (200 à 20 nm), de forme / fonctionnalisation possible …
Nanostructures étudiées
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Introduction
Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Caractérisation de démoulants par nanoindentation
Les techniques de nanoimpression
Localisation de colloïdes par diélectrophorèse Observation des particules en suspension
Localisation d’une particule unique
Caractérisation électrique A température ambiante
A T° = 4,2 K
Paliers de Coulomb dans le cas d’un colloïde d’or de 50 nm de diamètre
Conclusion
Plan
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EVG 520HESubstrat 200 mm de diamètre
Température 350 °CPression 13 bars
Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpressionPrincipe de la nanoimpression thermique
T° < Tg
hr
DémoulantMoule silicium
Résine
T° > Tg
P >1 bar
S. Y. Chou, P. K. Krauss, et al. Appl. Phys. Lett. 67, p.3114 (1995).
Substrat
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Trois différentes techniques de nanoimpression :
NIL négative mono-coucheNIL positive
Métal 2
Polymère 2
Métal 1
Polymère 1
SiO2
Silicium
Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpressionDéveloppement de procédés
NIL négative tri-couche
A. Lebib, S.P. Li, et al. J. Appl. Phys. 89, p.3892 (2001).
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Importance du démoulant
Avec démoulant Sans démoulant
Premier pressage
Après plusieurs utilisations
Démoulant n°1 Démoulant n°2
Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpressionCaractérisation des démoulants
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2 types de démoulants déposés en phase liquide : Perfluorooctyltrichlorosilane (Fots). Optool.
Caractérisation de l’énergie de surface par mesure d’angle de goutte :
Surfaces
Angle de contact (°C)Énergie
de surface (nN/m)Eau
Ethyl Glycol
Diiodométhane
Silicium 22.2 7.9 36.4 64
Si + Fots 95 78.2 71.7 22.6
Si + Optool 111.9 97.5 88.9 12.6
Forte diminution de l’énergie de surface avec l’utilisation d’un démoulant.L’Optool semble être plus efficace que le Fots.
!Interaction démoulant / polymère
difficilement quantifiable directement !!!
Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpressionCaractérisation des démoulants – Angle de goutte
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Principe de l’indentation :
Phase 1 à 4 : Courbe de charge Calibration de la mesure.Phase 4 à 7 : Courbe de décharge Détermination de la force d’adhérence.
Déplacement
1
235
76
4
Ft
Force
0
Polymère
Pointe AFM
Couche de démoulant
Silicium
: Profondeur d’indentation
Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpressionCaractérisation des démoulants - AFM
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Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpressionCaractérisation des démoulants - AFM
Caractérisation de l’influence du démoulant :
-40 -20 0 20 40 60 80-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Fo
rce
(µN
)
Déplacement du piézo (nm)
Sans démoulant Optool Fots
FFots
FOptool
FSans démoulant
FSans démoulant = 400 nNFFots = 215 nNFOptool = 55 nN
En accord avec les mesures d’angle
de goutte !
Substrat : Si + 200 nm de NEB
22 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
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Caractérisation de l’interaction moule / polymère :
-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
-0,3
0,0
0,3
0,6
0,9
NEB22A2 PMMA Polycarbonate
Fo
rce
(µN
)
Déplacement du piézo (nm)
FNEBFPMMA
FPC
Fots
-40 -20 0 20 40 60 80-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Fo
rce
(µN
)
Déplacement du piézo (nm)
NEB22A2 PMMA Polycarbonate
FPolymères
Optool
FPC ~ 50 nNFPMMA = 185 nNFNEB = 215 nN
FPC = FNEB = FPMMA ~ 55 nN
Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpressionCaractérisation des démoulants - AFM
23 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
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Caractérisation de l’interaction moule / polymère :
Force totale d’adhérence (nN)
NEB PMMA PC
Fots 215 185 ~ 50
Optool ~ 55 ~ 55 ~ 55
Confirmation de l’influence du couple démoulant / polymère :
Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpressionCaractérisation des démoulants - AFM
Caractérisation quantitative du couple polymère / démoulant.Résultats confirmés par les essais d’impression.
Fots / PC
16 nm
Fots / NEB
33 nm
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Fabrication du moule :
Lithographie optique
60 nm BARC
Silicium
Résine
Empilement
Moule positif : 130 nm de résine positive (XP9947W-100).Moule négatif : 160 nm de résine négative (NEB22A2E).
Lithographie électronique
Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpressionDéveloppement de procédés
200 nm
<30nm
65 µm
… x 11
… x 16
1
2
~ 4400 gaps de 200 nm à 30 nm
25 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
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Nanoimpression positive :
RésineForce de pressage
(N)
Température (°C)
Temps de pressage
(mn)
Épaisseur initiale (nm)
Épaisseur résiduelle
(nm)
NEB22 40 000 145 60 175 144
HBr/Cl2/O2 Ar puis HBr/Cl2 O2
60 nmRugosité du substrat après gravure
Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpressionDéveloppement de procédés
Conditions optimales de pressage
26 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Nanoimpression négative mono-couche :
RésineForce de pressage
(N)
Température (°C)
Temps de pressage
(mn)
Épaisseur initiale (nm)
Épaisseur résiduelle
(nm)
PMMA50K 30 000 200 15 200 50
O2
22 nm
Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpressionDéveloppement de procédés
Conditions optimales de pressage
27 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Nanoimpression négative mono-couche :
Lift-Off grande surface difficile !!!
Amélioration du lift-off sur grande surface Nanoimpression tri-couche.
Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpressionDéveloppement de procédés
28 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
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1. Nanoimpression sur une couche de NEB .2. Retrait de l’épaisseur résiduelle.
(HBr / Cl2 / O2)3. Gravure de la couche d’aluminium.
(Cl2)4. Sur-gravure de la couche de PMMA.
(O2)5. Dépôt métallique Ti/Au.6. Lift-off.
750 nmNEB22A2
333 nm
Residual thickness NEB22A2
AlPMMA
SiO2
300nm
NEB22A2Al
PMMA
SiO2
300 nm
SiO2
Al
300nm
SiO2
Al
PMMA
300 nm
30 nm
SiO2
Au
NEB22A2 (200nm)
Al (30nm)
PMMA (100nm)
Ti (10nm) / Au (40nm)
SiO2
Si
Electrodes métalliques sur 100 mm : gaps : < 40 - 200 nmConclusion
Nanoimpression négative tri-couche :
Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpressionDéveloppement de procédés
29 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Caractérisation du démoulant : Interaction moule / polymère caractérisée par nanoindentation AFM. Force d’adhérence avec Optool < Force d’adhérence avec Fots. Force d’adhérence avec polycarbonate < Force d’adhérence avec NEB.
Développement de techniques de nanoimpression : Nanoimpression positive + transfert des motifs (gap ~ 60 nm)
Compatibilité avec la microélectronique – Rugosité de surface. Nanoimpression négative mono-couche + transfert des motifs (gap < 30 nm)
Adaptée à tout type de métaux – Problème sur grande surface. Nanoimpression négative tri-couche + transfert des motifs (gap < 40 nm sur 100 mm)
Adaptée à tout type de métaux + grande surface – Plus complexe.
Electrodes sur 100 mm avec des espaces inter-électrodes de 200 nm jusqu’à < 40 nm.
Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpressionConclusion
30 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Introduction
Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Caractérisation de démoulants par nanoindentation
Les techniques de nanoimpression
Localisation de colloïdes par diélectrophorèse Observation des particules en suspension
Localisation d’une particule unique
Caractérisation électrique A température ambiante
A T° = 4,2 K
Paliers de Coulomb dans le cas d’un colloïde d’or de 50 nm de diamètre
Conclusion
Plan
31 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Localisation de colloïdes par diélectrophorèseIntroduction
Diélectrophorèse : Mouvement d’une particule polarisable sous un champ électrique spatialement non uniforme.
++
+
---
(+)(-)
21 )(
2
3EfevF CMDEP
Volume de la particule
Permittivité du milieu
Partie réelle du facteur de Clausius Mossotti
Champ électrique
*1
*2
*1
*2
2
CMfavec le facteur de Clausius Mossoti.
ε1*
ε2*
32 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Localisation de colloïdes par diélectrophorèseObservation in-situ de particules en suspension
Générateur de fréquence
Ecran de contrôle
CameraMicroscope optique
33 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Localisation de colloïdes par diélectrophorèseObservation in-situ de particules en suspension
Caractéristiques du champ électrique à appliquer ?
Champ électrique continu
+ 2V0V
34 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Localisation de colloïdes par diélectrophorèseObservation in-situ de particules en suspension
Caractéristiques du champ électrique à appliquer ?
Champ électrique alternatif (~ 50 mHz)
35 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Champ électrique alternatif (1 Hz < f < 1 kHz)
Caractéristiques du champ électrique à appliquer ?
Localisation de colloïdes par diélectrophorèseObservation in-situ de particules en suspension
36 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Localisation de colloïdes par diélectrophorèseObservation in-situ de particules en suspension
Caractéristiques du champ électrique à appliquer ?
Champ électrique alternatif (1 kHz < f < 1 MHz)
+V-V
+ + + + + + + + + - - - - - - - - - - - -
tFtE
tE
tF
E
E
Principe de l’électro-osmoseFt = q.Et
37 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Champ électrique alternatif (f > 1 MHz)
f > 1 MHz semble être le plus approprié !
Localisation de colloïdes par diélectrophorèseObservation in-situ de particules en suspension
38 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Localisation de colloïdes par diélectrophorèseInfluence des différents paramètres du champ électrique
Temps d’application du champ électrique (10 MHz, 3 V)
10 sec 60 sec 180 sec
Tension appliquée entre les électrodes métalliques (10 MHz, 60 sec)
1 V 3 V 5 V
39 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Localisation de colloïdes par diélectrophorèseInfluence des différents paramètres du champ électrique
Fréquence du champ électrique appliqué (2 V, 10 sec)
0 1 2 3 4 5 >50
20
40
60
80
100
Nombre de particules dans l'espace inter-électrodes
%
10 KHz 900 KHz 1,2 MHz 5 MHz
Particule de 150 nm(~ 20 échantillons par fréquence)
10 kHz
900 kHz
10 MHz
40 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Localisation de colloïdes par diélectrophorèseInfluence des différents paramètres du champ électrique
Fréquence du champ électrique appliqué (2 V, 10 sec)
200 nm 150 nm 100 nm
900 kHz 1,2 MHz 900 kHz 1,2 MHz 900 kHz 1,2 MHz
Nombre de particules < 4
53 % 7,7 % 61,1 % 55 % 22,2 % 75 %
Particule unique
35,3 % 7,7 % 38,9 % 25 % 0 % 16,7 %
200 nm 150 nm 100 nm
Mais également et
50 nm 20 nm
41 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Localisation de colloïdes par diélectrophorèseConclusion
Observation in-situ des particules : Mise en place d’un montage expérimental pour observer le mouvement des particules (diamètre > 100 nm). Caractérisation du mouvement en fonction de la fréquence :
f < 1 kHz Oscillations des particules entre les 2 électrodes. f > 1 kHz Prédominance de l’électro-osmose. f > ~ 1MHz Prédominance de la diélectrophorèse.
Intégration d’une particule unique : Caractérisation de l’influence du temps d’application, de la tension et de la fréquence du champ électrique appliqué. Localisation d’une particule unique jusqu’à des diamètres de 50 nm.
Dispositifs à nanostructure unique avec différents diamètres de particule (200 nm à 50 nm)
42 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Introduction
Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Caractérisation de démoulants par nanoindentation
Les techniques de nanoimpression
Localisation de colloïdes par diélectrophorèse Observation des particules en suspension
Localisation d’une particule unique
Caractérisation électrique A température ambiante
A T° = 4,2 K
Paliers de Coulomb dans le cas d’un colloïde d’or de 50 nm de diamètre
Conclusion
Plan
43 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Caractérisation électriqueCaractérisation à température ambiante
Trois régimes sont observables :
Bruit Linéaire Non linéaire
44 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Caractérisation électriqueCaractérisation à température ambiante
Comportement électrique en fonction du diamètre des particules.
Comportement majoritairement linéaire.
Gamme de résistance en fonction du diamètre des particules.
(Dans le cas d’un comportement linéaire.)
Résistance < 1 kΩ.Résistance > 1 MΩ.
(~ 80 échantillons étudiés)
45 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Caractérisation électriqueBlocage de Coulomb à T° = 4,2 K
-600 -400 -200 0 200 400 600
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
I DS (nA
)
VDS
(mV)
-100 -50 0 50 100
-4
-2
0
2
4
I DS (nA
)
VDS
(mV)
25 MΩ
50 nm
-400 0 400 800-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
I DS (nA
)
VDS
(mV)
-10 -5 0 5 10-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
I DS (pA
)
VDS
(mV)
8,4 GΩ
100 nm
-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5-12
-9
-6
-3
0
3
6
9
12
I DS (nA
)
VDS
(mV)
-10 -5 0 5 10
-0,9
-0,6
-0,3
0,0
0,3
0,6
0,9
I DS(p
A)
VDS
(mV)
13,3 GΩ
200 nm
-2000 -1000 0 1000 2000-12
-9
-6
-3
0
3
6
9
12
I DS (nA
)
VDS
(mV)
-60 -40 -20 0 20 40 60
-0,006
-0,004
-0,002
0,000
0,002
0,004
0,006
I DS (nA)
VDS
(mV)
8,5 GΩ
150 nm
Différents diamètres de particule
T = 4,2 K
T = 4,2 KT = 4,2 K
T = 4,2 K
T = 300 K T = 300 K
T = 300 KT = 300 K
46 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Caractérisation électriqueBlocage de Coulomb à T° = 4,2 K
Largeur du blocage de Coulomb
IDS
VDS22C
e12C
e
21
1
TT RR
Détermination des caractéristiques physiques des jonctions tunnel
Diamètre particule (nm) 200 100 50
Largeur du blocage de Coulomb (mV)
660 186 114
C1 (F) 2,54x10-19 8,57x10-19 3,48x10-18
C2 (F) 2,32x10-19 8,54x10-19 8,25x10-19
RΣ (M) 66 67 47
Cas d’un condensateur plan : surface en regard 13x13 nm² et 7x7 nm²
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Caractérisation électriqueBlocage de Coulomb à T° = 4,2 K
Modélisation du système
1 2
3
1- RT1 = 1MΩ et RT2 = 46MΩ.2- Courbe expérimentale.3- RT1 = 10MΩ et RT2 = 37MΩ.
50 nm
1
2
3
1- RT1 = 1MΩ et RT2 = 66MΩ.2- Courbe expérimentale.3- RT1 = 33MΩ et RT2 = 34MΩ.
100 nm
200 nm SiO2
Grille
Particule d’or et son enveloppe
RT1RT2
C2C1
VDS
CGVG
Source Drain
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Caractérisation électriquePaliers de Coulomb à T° = 4,2 K
Particule de 50 nm de diamètre
-400 -200 0 200 400
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
I DS (nA)
VDS
(mV)
ΔI1
ΔI2
ΔI3
ΔVDS
Valeurs expérimentales
I1 (nA) 2,4
I2 (nA) 1,2
I3 (nA) 3,7
VDS moyen (mV) 215
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Caractérisation électriquePaliers de Coulomb à T° = 4,2 K
Les paliers s’estompent avec la température.Disparition des paliers à ~ 80 K.
-400 -200 0 200 400
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
I DS (nA
)
VDS
(mV)
30 K50 K
15 K
6 K
4,2 K
-400 -200 0 200 400
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
I DS (nA
)
VDS
(mV)
300 K 250 K 150 K
80 K
100 K
Particule de 50 nm de diamètre
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Caractérisation électriqueConclusion
Caractérisation à température ambiante : Trois régimes observés
Régime linéaire dans plus de 65 % des cas. Régime non linéaire (~ 12 % des cas). Bruit.
Régime linéaire : Majorité de structures avec résistance < 1 kΩ ou > 1 MΩ.
Blocage de Coulomb à 4,2 K : Observé pour des tailles de particule de 200 nm, 100 nm et 50 nm. Modèle proposé en accord qualitativement avec les caractéristiques expérimentales.
Plusieurs structures montrent du blocage de Coulomb.Paliers de Coulomb observables pour une particule de 50 nm.
Paliers de Coulomb à 4,2 K : Sauts de courant observés pour la particule de 50 nm de diamètre. Disparition des sauts de courant avec la température. Pas d’observation de l’effet de grille sur les structures étudiées.
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Conclusion générale
Fabrication d’électrodes métalliques par nanoimpression : Caractérisation locale de couche de démoulant par AFM. Développement de trois techniques de nanoimpression. Espaces inter-électrodes < 40 nm sur des substrats de 100 mm.
Localisation de nanostructures colloïdales par diélectrophorèse : Observation in-situ du mouvement de particules sous champ électrique. Différents régimes observables selon la fréquence du champ électrique. Caractérisation des paramètres du champ électrique sur la localisation. Positionnement de particule unique entre deux électrodes métalliques jusqu’à des diamètres de 50 nm.
Caractérisation électrique de dispositifs à nanostructure unique : A température ambiante : caractéristique majoritairement linéaire. Observation du blocage de Coulomb à 4,2 K pour différents diamètres de particule. Mise en évidence de paliers de Coulomb à 4,2 K pour un diamètre de particule de 50 nm.
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Perspectives
Augmenter la résolution des électrodes métalliques : Associer la nanoimpression avec d’autres techniques de réduction de l’espace inter-électrodes (dépôt métallique, électromigration).
Localisation de nanostructures par diélectrophorèse : Positionnement de nanostructures de diamètres < 50 nm. Utilisation de batteries de pointes pour rendre la technique globale.
Dans le cas de colloïdes : Etude de colloïdes plus complexes. Maîtrise des propriétés de l’enveloppe.
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