Proposition de thèse en co-tutelle Université de Sherbrooke (Québec)

Proposition de thèse en co-tutelle
Université de Sherbrooke (Québec)/Ecole Centrale de Lyon (France)
Assemblage dirigé de nanofils de silicium sur surfaces nanostructurées
pour la fabrication de capteurs de gaz à transistors à nanofils.
Contexte scientifique :
Les transistors à effet de champ à nanofils (Nanowire Field Effect Transistor, ou NWFET[1,2])
sont des structures envisagées pour le traitement de l’information, comme capteur pour la détection
de gaz, ou pour la production d’énergie photovoltaïque. A l’heure actuelle, le LN2 prévoit de tester,
dans le cadre d’une autre thèse en collaboration avec le Laboratoire des Technologies de la
Microélectronique (LTM), des NWFET préparés en faisant croître directement des nanofils sur des
électrodes métalliques. Toutefois, les procédés de croissance existant nécessitent des températures
posant de grands défis technologiques pour une intégration avec des procédés CMOS classique. Le
développement d’approches alternatives à basse température pour positionner et orienter
collectivement des nanofils à la surface d’une matrice d’électrodes présente donc un intérêt majeur
pour l’intégration de nouvelles fonctions dans le « back-end-of–line » (BEOL) de circuits CMOS.
Descriptif du sujet :
Le sujet de recherche concerne l’exploration de nouvelles voies génériques d’orientation [3-6] et de
positionnement collectif, à grande échelle, de nanofils de silicium sur des sites définis à l’échelle sub-
micronique sur des supports constitués de matériaux compatibles avec la fabrication de transistors à
nanofils, compatibles avec le BEOL, conçus pour la détection de gaz dans un projet déjà en cours.
L’objectif de la thèse sera d’explorer les conditions d’ancrage et d’orientation de nanofils de silicium,
sur des sites définis à l’échelle sub-micronique. Les nanofils seront fabriqués au LTM (Grenoble), via
une collaboration déjà effective avec le LN2 et selon des technologies déjà bien maîtrisées [7-10].
1) Etude des interactions entre populations de nanofil et matériaux nanostructurés
Le premier travail consistera à étudier les conditions de fabrication de ce type de substrat, de manière
à créer des contrastes de physico-chimie de surface (charge électrique, liaison hydrogène,
interactions de Van der Waals). Nous emploierons pour cela des matrices de sites de taille
submicroniques sur un substrat solide plan d’un autre matériau (ex : nanosites de nitrure sur un
support de silicium/silice). Dans un deuxième temps, il s’agira d’étudier les modalités d’interactions
physicochimiques entre des nanofils en milieu liquide et le support à deux matériaux. L’objectif sera
de mieux comprendre et optimiser les interactions entre nanofils et support, à partir de considérations
de physicochimie des interfaces. La nanofabrication sera prise en charge par le LN2, le travail sur les
interactions nanofils/surface à l’INL.
2) Contrôle de l’orientation de nanofils sous champ
Au-delà de la maîtrise des interactions entre nanofils et supports, il s’agira de comprendre comment
diriger l’orientation et le transfert de masse de nanofils en solution. Le Laboratoire Ampère et le LN2
apporteront leurs compétences complémentaires dans l’emploi de champs de force pour l’organisation
et l’orientation de nanoobjets. Les phénomènes d’acoustophorèse et de diélectrophorèse seront
exploités afin de permettre le contrôle précis du positionnement des nanofils. L’un des principaux
objectifs consistera à identifier les conditions expérimentales permettant l’obtention de forces
significatives, même à l’échelle nanométrique, suffisantes pour vaincre l’action de l’agitation thermique
ou de forces concurrentes type Van der Waals. En particulier, les facteurs déterminants seront la
concentration de la solution en nanofils, la conductivité du milieu, la fréquence du champ électrique
appliqué ainsi que l’amplitude du gradient de champ électrique généré. La force diélectrophorétique
étant une force volumique, afin d’engendrer des forces capables d’agir sur des nano-objets, il est
impératif de privilégier l’emploi de sources de champ capables de générer de forts gradients. Les
dimensions sub-microniques des composants que l’on cherche à fabriquer sont donc particulièrement
adaptées à la manipulation diélectrophorétique des nano-objets.
3) L’objectif sera de faire converger les choix de fabrication de support, d’interactions
physicochimiques et d’assemblage dirigé de filaments sous champ, de manière à démontrer la
capacité à fabriquer des structures NWFET comportant des nanofils positionnés de manière
adéquate. Tout au long de la thèse, les études seront menées d’abord sur matériaux simples à

l’échelle macroscopique, puis avec des tailles de sites de plus en plus réduite, de manière à être
compatible avec le cahier des charges de la fabrication de NWFETs fonctionnels.
Cadre de travail
La thèse est une co-tutelle franco-québécoise. Elle se déroulera en partie à Sherbrooke (Québec), et
en partie à Ecully (France). L’étude se déroulera dans le cadre d’une collaboration déjà active
impliquant des chercheurs du LTM-CNRS à Grenoble (T. Baron, B. Salem), du LN2 à Sherbrooke (P.
Charette, D. Drouin), d’Ampère (M. Frénéa-Robin) et de l’INL (A. Souifi, J.P. Cloarec) à Ecully.
Profil recherché
La personne, maîtrisant les sciences de l’ingénieur (matériaux et/ou génie électrique), devra
démontrer un fort intérêt pour le travail interdisciplinaire, s’intégrer dans des équipes de différentes
cultures, être autonome et savoir prendre des initiatives, rédiger et présenter de manière synthétique.
Financement : Contrat Doctoral Ecole Centrale de Lyon. Les frais de mobilité France / Canada seront
pris en charge par le LN2.
Encadrants :
Marie Robin (Laboratoire Ampère) & Jean-Pierre Cloarec (INL)
Dominique Drouin et Paul Charette (LN2)
Dossier de candidature : envoyer CV, lettre de motivation, résultats d’école d’ingénieur et/ou de
Master, ainsi que deux lettres de recommandation à
[e-mail]
Bibliographie
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