Single-Nanostructure device fabricated by alternative technologies
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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 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Introduction Contexte Développement Micro / nanoélectronique Diminution des dimensions caractéristiques. www.rtb.cnrs.fr Motifs < 30 nm Effets physiques perturbateurs !!! (Courant de fuite, effet quantique …) 2 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Introduction Contexte 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) … Contraintes dimensionnelles Contraintes technologiques. Nanofabrication Localisation Caractérisation 3 Observation de phénomènes quantiques : effet tunnel, blocage/paliers de Coulomb … CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Plan 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 4 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Introduction Rappel sur le blocage de Coulomb VDS ≠ 0 V VDS = 0 V Jonction MIM VDS EF Métal 1 (Source) EF 1 Métal 2 Isolant EF2 -eVDS 1 EF2 (Drain) Passage d’un électron au travers de la barrière tunnel ξ = e2/2C e- e- EF2 EF1 EF2 -eVDS EF1 ξ -eVDS ξ ΔE = EF1 – EF2 = eVDS – e²/2C > 0 eVDS > e²/2C VDS > e/2C ΔE < 0 eVDS < e²/2C VDS < e/2C Passage du courant ! Courant nul ! 5 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Introduction Rappel sur le blocage de Coulomb Jonction MIM Blocage de Coulomb VDS IDS • VDS > e/2C IDS ≠ 0 -e/2C e/2C VDS • VDS < e/2C IDS = 0 Conditions particulières Energie électrostatique >> Energie d’agitation thermique. Blocage de Coulomb à 300 K si : ξ=e2/2C >> kBT e2 C 3.10 18 F 2k B T Contraintes dimensionnelles ~ 25x25 nm2 !!! 6 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Introduction Rappel sur les paliers de Coulomb Jonction MIMIM V1 Jonction tunnel 2 Jonction tunnel 1 VDS V2 Ilot Drain Source Métal Métal Métal (Source) RT1, C1 (Drain) Isolant VDS ≠ 0 V RT2, C2 EF -eV1 1 EF2 -eV2 EF3 Passage d’un électron ξ = e2/2(C1 + C2) e- e- RT1 ≠ RT2 EF2 EF1 EF2 -eV1 EF1 ξ -eV1 ξ -eV2 -e/2C1 -eV2 EF3 IDS e/2C2 VDS EF3 VDS > e/2C2 VDS < e/2C2 Passage du courant ! Courant nul ! 7 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Introduction Rappel sur les paliers de Coulomb 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. V1 V2 RT2=10 GΩ RT1=1 MΩ ∆I C1=5.10-20 F C2=1.10-18 F ∆VDS VDS http://qt.tn.tudelft.nl/ ΔI 8 e 2R T2 (C1 C2 ) ΔVDS e C2 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Introduction Stratégies de fabrication d’architectures à nanostructure unique 2 technologies possibles Fabrication directe d’architectures électroniques Fabrication de structures d’adressage (électrodes …) Localisation de nanostructures CNTs Colloïdes Nanocristaux Molécules … Caractérisations électriques 9 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Introduction Stratégies de fabrication d’architectures à nanostructure unique Stratégies conventionnelles Lithographie électronique + dépôt AFM/STM en mode lithographique Drain Grille Ilot 30 nm Source 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). Manipulation par sonde locale T. Junno, S.-B. Carlsson, et al. Appl. Phys. Lett. 72, p.548 (1998). 10 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Introduction Stratégies de fabrication d’architectures à nanostructure unique Stratégies alternatives Assemblage par force de capillarité. Métal Résine Substrat Colloïdes Y. Cui, M. T. Björk, et al. Nano Letters 4, p.1093 (2004). Fonctionnalisation de surface Champ électrique / magnétique S H. Hong, H. K. Kim, et al. J. Vac. Sci. Technol. B 24, p.136 (2006). D. L. Klein, R. Roth, et al. Nature 389, p.699 (1997). 11 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Introduction Stratégies de fabrication d’architectures à nanostructure unique Conclusion Techniques AFM / STM Capillarité Fonctionnalisation de surface Champ électromagnétique Dépôt aléatoire Objet Unique Oui Oui Non Oui Non Taille et type d’objets Motifs 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 Coulomb Observé à 300K Observé à 300K Observé Observé Observé à 300K Modulation de la tension de grille Non observé Non observé Observé Observé Observé à 300K Diamant de Coulomb Non observé Non observé Observé à 4,2K Non observé Non observé Localisation par champ électrique : Simple / faible coût / objet unique / technique globale. 12 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Introduction : Stratégies choisies 2 technologies possibles Fabrication directe d’architectures électroniques Fabrication de structures d’adressage (électrodes …) Localisation de nanostructures CNTs Colloïdes Nanocristaux Molécules … Caractérisations électriques 13 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Introduction : Stratégies choisies Stratégies de fabrication de structures d’adressage Nanoimpression : Technique globale / faible coût / flexible / haute résolution … 65 µm 90 µm 65 µm 30 - 200 nm Nanostructures étudiées Les colloïdes Faible coût / large gamme de taille (200 à 20 nm), de forme / fonctionnalisation possible … Stratégies de localisation Technique de localisation : La diélectrophorèse Facilité de mise en œuvre / intégration de nanostructure unique / Grande variété d’objets manipulables … 14 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Plan 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 15 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Principe de la nanoimpression thermique Moule silicium Démoulant Résine Substrat P >1 bar T° > Tg T° < Tg hr EVG 520HE Substrat 200 mm de diamètre Température 350 °C Pression 13 bars S. Y. Chou, P. K. Krauss, et al. Appl. Phys. Lett. 67, p.3114 (1995). 16 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Développement de procédés Trois différentes techniques de nanoimpression : NIL positive NIL négative mono-couche NIL négative tri-couche Polymère 1 Métal 1 Polymère 2 Métal 2 SiO2 Silicium A. Lebib, S.P. Li, et al. J. Appl. Phys. 89, p.3892 (2001). 17 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Caractérisation des démoulants Importance du démoulant Avec démoulant Premier pressage Sans démoulant Après plusieurs utilisations Démoulant n°1 18 Démoulant n°2 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Caractérisation des démoulants – Angle de goutte 2 types de démoulants déposés en phase liquide : Perfluorooctyltrichlorosilane (Fots). Optool. Caractérisation de l’énergie de surface par mesure d’angle de goutte : Angle de contact (°C) Eau Ethyl Glycol Diiodométhane Énergie de surface (nN/m) Silicium 22.2 7.9 36.4 64 Si + Fots 95 78.2 71.7 22.6 111.9 97.5 88.9 12.6 Surfaces Si + Optool q 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 !!! 19 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Caractérisation des démoulants - AFM Principe de l’indentation : Pointe AFM Force Couche de démoulant 4 d Polymère 1 Silicium 3 0 Ft d : Profondeur d’indentation 2 5 6 7 Déplacement Phase 1 à 4 : Courbe de charge Calibration de la mesure. Phase 4 à 7 : Courbe de décharge Détermination de la force d’adhérence. 20 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Caractérisation des démoulants - AFM Caractérisation de l’influence du démoulant : Substrat : Si + 200 nm de NEB 1,2 Sans démoulant Optool Fots 1,0 FSans démoulant = 400 nN FFots = 215 nN FOptool = 55 nN Force (µN) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 FOptool FFots -0,2 En accord avec les mesures d’angle de goutte ! FSans démoulant -0,4 -0,6 -40 -20 0 20 40 60 80 Déplacement du piézo (nm) 21 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Caractérisation des démoulants - AFM Caractérisation de l’interaction moule / polymère : Fots Optool NEB22A2 PMMA Polycarbonate 0,9 1,2 NEB22A2 PMMA Polycarbonate 1,0 0,8 Force (µN) Force (µN) 0,6 0,3 0,0 FPC FNEB FPMMA 0,4 0,2 -0,3 -30 0,6 0,0 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 Déplacement du piézo (nm) -0,2 -40 FPolymères -20 0 20 40 60 80 Déplacement du piézo (nm) FPC ~ 50 nN FPMMA = 185 nN FNEB = 215 nN FPC = FNEB = FPMMA ~ 55 nN 22 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Caractérisation des démoulants - AFM 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 : 16 nm 33 nm Fots / NEB Fots / PC Caractérisation quantitative du couple polymère / démoulant. Résultats confirmés par les essais d’impression. 23 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Développement de procédés Fabrication du moule : Résine Moule positif : 130 nm de résine positive (XP9947W-100). Moule négatif : 160 nm de résine négative (NEB22A2E). 60 nm BARC Silicium Empilement 1 … 2 … x 16 x 11 ~ 4400 gaps de 200 nm à 30 nm Lithographie électronique <30nm 200 nm 65 µm Lithographie optique 24 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Développement de procédés Nanoimpression positive : Conditions optimales de pressage Résine Force de pressage (N) Température (°C) Temps de pressage (mn) Épaisseur initiale (nm) Épaisseur résiduelle (nm) NEB22 40 000 145 60 175 144 Rugosité du substrat après gravure HBr/Cl2/O2 Ar puis HBr/Cl2 25 60 nm O2 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Développement de procédés Nanoimpression négative mono-couche : Conditions optimales de pressage Résine Force de pressage (N) Température (°C) Temps de pressage (mn) Épaisseur initiale (nm) Épaisseur résiduelle (nm) PMMA50K 30 000 200 15 200 50 22 nm O2 26 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Développement de procédés Nanoimpression négative mono-couche : Lift-Off grande surface difficile !!! Amélioration du lift-off sur grande surface Nanoimpression tri-couche. 27 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Développement de procédés Nanoimpression négative tri-couche : 1. 2. 3. 4. 5. 6. Nanoimpression sur une couche de NEB . Retrait de l’épaisseur résiduelle. (HBr / Cl2 / O2) Gravure de la couche d’aluminium. (Cl2) Sur-gravure de la couche de PMMA. (O2) Dépôt métallique Ti/Au. Lift-off. Residual thickness NEB22A2 (200nm) Al (30nm) PMMA (100nm) Ti (10nm) / Au (40nm) SiO2 Si SiO2 Al PMMA Au Al NEB22A2 NEB22A2 Al PMMA Al SiO2 30 nm SiO2 750 nm NEB22A2 333 nm SiO2 PMMA 300nm 300nm 300 nm 300 nm SiO2 Conclusion Electrodes métalliques sur 100 mm : gaps : < 40 - 200 nm 28 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Fabrication collective de contacts métalliques par nanoimpression Conclusion 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 interélectrodes de 200 nm jusqu’à < 40 nm. 29 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Plan 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 30 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Localisation de colloïdes par diélectrophorèse Introduction Diélectrophorèse : Mouvement d’une particule polarisable sous un champ électrique spatialement non uniforme. Permittivité du milieu ε1 * 2 3 F DEP v1e( f CM) E 2 - ++ - + ε2 * (+) (-) avec f CM Champ électrique 2* 1* * 2 2 1* Volume de la particule Partie réelle du facteur de Clausius Mossotti le facteur de Clausius Mossoti. 31 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Localisation de colloïdes par diélectrophorèse Observation in-situ de particules en suspension Microscope optique Camera Ecran de contrôle Générateur de fréquence 32 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Localisation de colloïdes par diélectrophorèse Observation in-situ de particules en suspension Caractéristiques du champ électrique à appliquer ? Champ électrique continu + 2V 0V 33 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Localisation de colloïdes par diélectrophorèse Observation in-situ de particules en suspension Caractéristiques du champ électrique à appliquer ? Champ électrique alternatif (~ 50 mHz) 34 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Localisation de colloïdes par diélectrophorèse Observation in-situ de particules en suspension Caractéristiques du champ électrique à appliquer ? Champ électrique alternatif (1 Hz < f < 1 kHz) 35 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Localisation de colloïdes par diélectrophorèse Observation in-situ de particules en suspension Caractéristiques du champ électrique à appliquer ? Champ électrique alternatif (1 kHz < f < 1 MHz) Ft E E Et Ft Et +++++++++ ------------ -V +V Principe de l’électro-osmose Ft = q.Et 36 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Localisation de colloïdes par diélectrophorèse Observation in-situ de particules en suspension Champ électrique alternatif (f > 1 MHz) f > 1 MHz semble être le plus approprié ! 37 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Localisation de colloïdes par diélectrophorèse Influence 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) 1V 3V 38 5V CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Localisation de colloïdes par diélectrophorèse Influence des différents paramètres du champ électrique Fréquence du champ électrique appliqué (2 V, 10 sec) 100 10 KHz 900 KHz 1,2 MHz 5 MHz 10 kHz 80 % 60 900 kHz 40 20 0 0 10 MHz 1 2 3 4 5 >5 Nombre de particules dans l'espace inter-électrodes Particule de 150 nm (~ 20 échantillons par fréquence) 39 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Localisation de colloïdes par diélectrophorèse Influence 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 100 nm 150 nm Mais également et 50 nm 20 nm 40 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Localisation de colloïdes par diélectrophorèse Conclusion 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) 41 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Plan 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 42 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Caractérisation électrique Caractérisation à température ambiante Trois régimes sont observables : Bruit Linéaire 43 Non linéaire CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Caractérisation électrique Caractérisation à température ambiante Comportement électrique en fonction du diamètre des particules. Gamme de résistance en fonction du diamètre des particules. (Dans le cas d’un comportement linéaire.) Résistance < 1 kΩ. Résistance > 1 MΩ. Comportement majoritairement linéaire. (~ 80 échantillons étudiés) 44 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Caractérisation électrique Blocage de Coulomb à T° = 4,2 K Différents diamètres de particule 8 6 50 nm T = 4,2 K 6 100 nm 4 T = 4,2 K 4 2 I DS (nA) 0 4 25 MΩ -2 I DS (nA) 2 -4 -6 0 1,5 -2 1,0 8,4 GΩ 0,5 I DS (pA) I DS (nA) 2 -4 0 -2 T = 300 K -4 -100 -50 -8 0 50 0,0 -0,5 T = 300 K -1,0 -6 -1,5 100 -10 VDS (mV) -5 0 -600 -400 -200 0 200 400 -400 600 0 10 400 800 VDS (mV) VDS (mV) 12 12 150 nm T = 4,2 K 9 6 200 nm T = 4,2 K 9 6 3 I DS (nA) 3 0 0,006 -3 0,004 8,5 GΩ 0 0,9 0,3 0,000 -6 -0,002 -0,004 -9 -60 -40 -20 0 20 40 -9 -1000 0 1000 -0,3 T = 300 K -0,9 -10 60 VDS (mV) -12 0,0 -0,6 T = 300 K -0,006 -2000 I DS (pA) -6 13,3 GΩ 0,6 -3 0,002 I DS (nA) I DS (nA) 5 VDS (mV) -8 2000 0 5 10 VDS (mV) -12 -1,5 VDS (mV) -5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 VDS (mV) 45 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Caractérisation électrique Blocage de Coulomb à T° = 4,2 K Détermination des caractéristiques physiques des jonctions tunnel 1 RT 1 RT 2 IDS e 2C1 e 2C2 Cas d’un condensateur plan : surface en regard 13x13 nm² et 7x7 nm² VDS Largeur du blocage de Coulomb 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 46 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Caractérisation électrique Blocage de Coulomb à T° = 4,2 K Modélisation du système Particule d’or1et 2 son enveloppe Source Drain CG VG RT1 RT2 3 1 2 3 200 nm SiO2 C2 C1 Grille VDS 50 nm 1- RT1 = 1MΩ et RT2 = 46MΩ. 2- Courbe expérimentale. 3- RT1 = 10MΩ et RT2 = 37MΩ. 100 nm 1- RT1 = 1MΩ et RT2 = 66MΩ. 2- Courbe expérimentale. 3- RT1 = 33MΩ et RT2 = 34MΩ. 47 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Caractérisation électrique Paliers de Coulomb à T° = 4,2 K Particule de 50 nm de diamètre 8 6 4 I DS (nA) 2 ΔI3 0 -2 Valeurs expérimentales ΔI1 ΔI2 ΔVDS -4 -6 DI1 (nA) 2,4 DI2 (nA) 1,2 DI3 (nA) 3,7 DVDS moyen (mV) 215 -8 -400 -200 0 200 400 VDS (mV) 48 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Caractérisation électrique Paliers de Coulomb à T° = 4,2 K Particule de 50 nm de diamètre 50 K 300 K 30 K 8 15 K 8 6 6K 6 4 4,2 K 4 80 K 2 I DS (nA) I DS (nA) 2 250 K 150 K 100 K 0 -2 0 -2 -4 -4 -6 -6 -8 -8 -400 -200 0 200 400 -400 VDS (mV) -200 0 200 400 VDS (mV) Les paliers s’estompent avec la température. Disparition des paliers à ~ 80 K. 49 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Caractérisation électrique Conclusion 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. 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. Plusieurs structures montrent du blocage de Coulomb. Paliers de Coulomb observables pour une particule de 50 nm. 50 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE 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. 51 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE 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. 52 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Merci de votre attention !!! 53 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
