chap 3. Quelques outils des nanos
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Chap. 3 : les outils des nanos Polytech-Lyon 5ème année Les outils de la nanotechnologie: Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (1) Chap. 3 : les outils des nanos Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Suivant les techniques de réalisation des systèmes en nanotechnologie on distingue généralement deux voies : -la voie « top-down » - la voie « bottom-up » Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (2) Chap. 3 : les outils des nanos Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique Voies top-down ou descendantes. On part d’une structure existantes (par exemple un circuit imprimé ) et on va chercher à le miniaturiser de plus en plus, chaque composant diminuant de taille graduellement et atteignant des dimensions nanométriques. Voies bottom-up ou ascendantes. On part d’objets nanométriques qu’on va essayer d’assembler, ou d’auto-assembler, pour former des matériaux, des structures, de plus en plus complexes et dont l’échelle augmente vers le « macro ». - L’utilisation de ces termes est souvent galvaudé ou fourre-tout. - Les nanotechnologies utilisent souvent des voies hybrides empruntant le meilleur des 2 voies. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (3) Chap. 3 : les outils des nanos Polytech-Lyon 5ème année Nano-électronique La voie top-down est tirée par l’industrie micro- nano électronique qui progresse extrêmement rapidement (loi de Moore) Son outil de prédilection pour la définition et la réalisation des étapes est la photo-lithographie. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (4) Chap. 3 : les outils des nanos Polytech-Lyon 5ème année bottom-up Les voies bottom-up. • Quelques outils de base : matériaux piézo-électriques. • Microscopes à champ de forces (AFM) • Emission de champ • Effet tunnel • Voir les atomes • Sonde atomique • Le FIB (Focused ion beam) Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (5) Chap. 3 : les outils des nanos Polytech-Lyon 5ème année matériaux piézos Les matériaux piézos Une des avancées actuelles de la nanotechnologie repose essentiellement sur une utilisation systématique de céramiques piézo-électriques pour générer facilement des déplacements mécaniques contrôlés avec une précision meilleure que 0.1 nm. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (6) Chap. 3 : les outils des nanos Les matériaux piézos Les matériaux piézo-électrique : La piézoélectricité est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique. Les deux effets sont indissociables. Le premier est appelé effet piézoélectrique direct ; le second effet piézoélectrique inverse. Le plus connu est sans doute le quartz, toujours utilisé aujourd’hui dans les montres pour créer des impulsions d’horloge. Mais ce sont des céramiques synthétiques, les PZT qui sont le plus largement utilisées aujourd’hui dans l'industrie. En 2010, le marché des dispositifs piézoélectriques est estimé à 14,8 milliards de dollars. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (7) Chap. 3 : les outils des nanos Les matériaux piézos Piezo-électricité: La première démonstration de l'effet piézoélectrique direct est due à Pierre et Jacques Curie en 1880. À cette époque, les deux frères, âgés respectivement de 21 et 25 ans, sont tous deux préparateurs à la faculté des sciences de Paris. Combinant leurs connaissances de la pyroélectricité et de la structure cristalline, ils prédirent et vérifièrent l'existence de la piézoélectricité sur des cristaux de quartz, de tourmaline, de topaze et de sel de Rochelle. L'existence de l'effet inverse fut prédite l'année suivante par Gabriel Lippmann sur la base de calculs thermodynamiques, et immédiatement vérifiée par les Curie (1882). Pierre Curie (1859-1906) Marie Curie (1867-1934) Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (8) Chap. 3 : les outils des nanos Paramètres caractéristiques Soit V le potentiel appliqué, E3 = V / z est le champ électrique à l’intérieur du piézo, les composantes du tenseur de contrainte sont S1 = dx/x et S3 = dz/z. Les coefficients piézo-électriques sont définis comme : d31 = S1 / E3 (m/V) d33 = S3 / E3 (m/V) Ces valeurs caractérisent les déformations du piézo par une ddp appliquée et inversement. Elles dépendent du matériau piézo et de la qualité de ce matériau et de son vieillissement. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (9) Chap. 3 : les outils des nanos Effets piézo - électriques Une céramique piézo utilisée couramment est une solution solide de PbTiO3 et de PbZrO3 ou PZT. S1 = dx/x S3 = dz/z. d31 = S1 / E3 (m/V) d33 = S3 / E3 (m/V) Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (10) Chap. 3 : les outils des nanos Les matériaux piézos Le cas (a) la constante piézo est d33 (b) la constante est d31 et le cas (c) la constante est d15. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (11) Chap. 3 : les outils des nanos Les matériaux piézos Pour le cas (b) par exemple : ∆l = d31 V l / h où V est le potentiel appliqué, l la longueur du barreau et h son épaisseur. La quantité d31l/h est appelée constante du piézo, elle a pour valeur environ 1.5 nm/V pour l = 2 cm, h = 2 mm pour le PZT-4D par exemple. • ∆ l est directement proportionnelle à V. • Une variation de V de 0.1 V entraîne une variation ∆ l d’environ 0.1 nm. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (12) Chap. 3 : les outils des nanos Déplacement piézo, quelques exemples Tube cylindriques Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (13) Chap. 3 : les outils des nanos Déplacement piézo, quelques exemples Moteur PZT « inchworm » Basé sur le principe de la reptation Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (14) Chap. 3 : les outils des nanos Déplacement piézo, quelques exemples Les moteurs piézo-inertiels basé sur le stick-slip (ou frotté-glissé) Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (15) Chap. 3 : les outils des nanos Déplacement piézo, quelques exemples Les scanners piézos Course en x-y-z 10 µm Pilotage 0-150 V Résolution subnanométrique Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (16) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « champs de force » AFM : Vraiment devenu un outil de base pour la recherche et au-delà. • Fonctionnement à l’air, sous vide, en milieu liquide, … • Réglages relativement faciles, … • Principe relativement simple : basé sur l’interaction d’un levier avec la surface de l’échantillon •Différent types d’imagerie • Mode contact • Mode dynamique « mode tapping » Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (17) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » AFM : le capteur de force : le levier Image MEB d’un levier rectangulaire et d’une pointe. Paramètres importants : • leur constante de raideur (N/m) • le rayon de courbure de la pointe qui détermine la résolution latérale. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (18) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » AFM : le capteur de force : le levier Différents types de pointes sont utilisés en fonction des performances souhaitées Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (19) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » AFM : le capteur de force : le levier La constante de raideur est alors donnée par k = Ewt3/4l3 La fréquence de résonance est donnée par f0 = 1/2pi sqrt (k/meff) Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (20) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » Rappels de Mécanique : Une force conservative dérive d’un potentiel : à une dimension Mesures de F et V sont liées. Mesure de force par un levier Un levier statique est équivalent à un ressort. La déflexion du levier est directement relié à la force : F = k d où k est la constante de raideur et d la déflexion. Mode contact Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (21) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » Mesure de gradient de force par un levier résonant Un levier en résonance (oscillation forcée) est sensible au gradient de force. Le gradient de force joue sur la raideur apparente du levier et donc sur sa fréquence propre. La variation de la fréquence de résonance permet de remonter au gradient de force. Mode dynamique Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (22) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » AFM : Courbe approche –retrait théorique • Mode contact • Mode dynamique : - « mode tapping » - mode résonant Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (23) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » AFM : Représentation des différentes forces d’interaction en fonction de la distance sonde-échantillon Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (24) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » AFM : Potentiel de Lennard-Jones (bleu) et la force d’interaction (rouge) en fonction de la distance sonde-échantillon Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (25) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » AFM : en pratique Courbe d’approche retrait : déflexion du levier en fonction de la distance pointe-échantillon Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (26) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » Imagerie AFM en mode contact. Un laser focalisé sur l’extrémité du levier est réfléchi sur une photodiode (quadripôle). La déflexion du levier est lisible par la variation du courant sur la photodiode. On peut faire une rétraction sur la hauteur de l’échantillon. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (27) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » Imagerie AFM en mode contact. Mesures à hauteur constante La hauteur de la pointe ne bouge pas et on code la déflexion en fonction de la position. Très gros risque de casser la pointe. Mesures à déflexion constante On varie la hauteur de l’échantillon (ou de la pointe) en chaque point pour garder la déflexion (force) constante Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (28) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » Imagerie AFM en mode contact. Mesures à déflexion constante Pour cela on utilise un système de rétroaction qui maintient la déflexion constante Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (29) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » Imagerie AFM en mode contact. Résolution latérale. Le rayon de courbure détermine la résolution latérale. La pointe doit donc être la plus fine possible pour rendre fidèlement la topographie. En AFM on dit que : « c’est toujours l’objet le plus petit qui image ». On considère habituellement que la résolution verticale de l’AFM est très bonne mais que la résolution latérale doit être traitée avec soin suivant le type d’échantillon. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (30) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » Imagerie AFM en mode dynamique. La pointe AFM, qui se comporte comme un résonateur, est excitée (par exemple par un petit piézo). Rappel sur les courbes de résonance Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (31) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » Imagerie AFM en mode dynamique (mode résonant). Supposons maintenant que la pointe oscille dans un gradient de force L’équation de mouvement devient Et la nouvelle fréquence propre du levier devient : La variation de fréquence propre est directement liée au gradient de force Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (32) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » Imagerie AFM en mode dynamique (mode résonant). Comment imager à partir de ce principe ? On pourrait choisir d’imager à altitude constante et de suivre la fréquence de résonance du levier. Non utilisé. Comme le z constant pour le mode contact. Trop de risque de casse. On choisit généralement d’imager à gradient de force constant (à écart de fréquence constant). L’échantillon (ou la pointe) est monté ou descendu pour garder un écart de fréquence constant. Dans ce cas il peut être dur de séparer la contribution de la topographie et d’une force longue portée (magnétique, électrique) Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (33) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » Imagerie AFM en mode Lift (cas du MFM et EFM). • Lors d’un premier passage, on enregistre la topographie de surface. • Lors d’un second passage, on enregistre le signal d’intérêt : champ magnétique ou électrique, modulation de force Ainsi on dissocie topographie et autre information d’intérêt Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (34) • Le second passage est réalisé à une hauteur donnée au dessus de la surface en décrivant exactement le profil de surface de l’échantillon. Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » Imagerie AFM en mode Lift (cas du MFM et EFM). topographie Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (35) Contraste de phase Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » Imagerie AFM Lorsque l’on travaille à l’air, à l’échelle micrométrique et nanométrique, une des forces prédominantes est la force de capillarité résultant du ménisque d'eau qui se forme entre l'objet et le substrat. Image MEB du ménisque d'eau entre une pointe de microscope en champ proche et une surface Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (36) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » AFM pour nanolithographie Oxydation anodique sur silicium • Wafer de silicium épitaxié. • Imagerie en mode Tapping. • Polarisation à – 7V de la pointe Si pour oxydation anodique Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (37) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » Manipulation par la pointe AFM ci-dessous déplacement d’un nanotube sur un substrat Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (38) Chap. 3 : les outils des nanos Microscope à « force atomique » Imagerie AFM résolution ultime. Imagerie avec une molécule de CO au bout de la pointe permet d'obtenir un gain de résolution lors de l'observation de molécules. En effet, la molécule de CO est particulièrement stable, bien comprise, et, entre la pointe et les objets atomiques ou moléculaires à étudier, des forces plus faibles apparaissent. Molécule de pentacène (C22H14). Ils ont observé les atomes d'hydrogène et de carbone individuellement ainsi que l'ensemble de la structure. Conditions expérimentales : ultravide, températures de -268°C, 20 heures d’enregistrement. Crédit, IBM Zurich Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (39) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Effet tunnel L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel même si son énergie est inférieure à l'énergie minimale requise pour franchir cette barrière. C'est un effet purement quantique, qui ne peut pas s'expliquer par la mécanique classique. Version classique Version quantique Pour une telle particule, la fonction d'onde, dont le carré du module représente la densité de probabilité de présence, ne s'annule pas au niveau de la barrière, mais s'atténue à l'intérieur de la barrière, pratiquement exponentiellement pour une barrière assez large. Si, à la sortie de la barrière de potentiel, la particule possède une probabilité de présence non nulle, elle peut traverser cette barrière. Cette probabilité dépend des états accessibles de part et d'autre de la barrière ainsi que de l'extension spatiale de la barrière. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (40) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Effet tunnel L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel même si son énergie est inférieure à l'énergie minimale requise pour franchir cette barrière. C'est un effet purement quantique, qui ne peut pas s'expliquer par la mécanique classique. Version classique Version quantique Pour une telle particule, la fonction d'onde, dont le carré du module représente la densité de probabilité de présence, ne s'annule pas au niveau de la barrière, mais s'atténue à l'intérieur de la barrière, pratiquement exponentiellement pour une barrière assez large. Si, à la sortie de la barrière de potentiel, la particule possède une probabilité de présence non nulle, elle peut traverser cette barrière. Cette probabilité dépend des états accessibles de part et d'autre de la barrière ainsi que de l'extension spatiale de la /barrière. Polytech-Lyon Matériaux 5ème année Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (41) (2013-2014) (1) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Effet tunnel Fonction d'onde d'un électron, représentant la densité de probabilité de sa position. La plus grande probabilité est que l'électron soit réfléchi. Il existe une faible probabilité que l'électron franchisse la barrière de potentiel. L'effet tunnel est à l'œuvre dans : les molécules : NH3, par exemple, Les modélisations des désintégrations (fission, radioactivité alpha), certaines diodes, la mémoire MRAM (dans toutes vos clefs USB), les microscopes à effet tunnel, … Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (42) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Effet tunnel : désintégration α Version classique Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (43) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Effet tunnel : désintégration α Version classique Version quantique Une loi empirique veut que plus la barrière de potentiel est haute, plus l'épaisseur à traverser est importante et plus le noyau vit longtemps. Ceci explique certaines durées de vie particulièrement longues. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (44) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Effet tunnel : le Microscope à effet tunnel Voir video Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (45) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Extraire des électrons d’un métal dans le vide ? Comment faire ???? Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (46) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Extraire des électrons d’un métal dans le vide ? Petits rappels en vidéos Niveaux quantifiés Structure électronique Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (47) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Extraire des électrons d’un métal dans le vide ? • Emission thermoïonique (on chauffe) • Photo-émission (on bombarde avec des photons d’énergie suffisante E= hν) Travail de sortie φ Niveau de Fermi Bande de conduction Bande de valence Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (48) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Extraire des électrons d’un métal dans le vide ? 0 1 • Emission thermoïonique (on chauffe) • Photo-émission (on bombarde avec des photons d’énergie suffisante E= hν) Travail de sortie φ OK Distribution de Fermi-Dirac Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (49) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Extraire des électrons d’un métal dans le vide ? 0 1 • Emission thermoïonique (on chauffe) • Photo-émission (on bombarde avec des photons d’énergie suffisante E= hν) Travail de sortie φ 300 K Distribution de Fermi-Dirac Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (50) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Extraire des électrons d’un métal dans le vide ? • Emission thermoïonique (on chauffe) • Photo-émission (on bombarde avec des photons d’énergie suffisante E= hν) 0 1 e- Travail de sortie φ Très chaud K Distribution de Fermi-Dirac Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (51) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Extraire des électrons d’un métal dans le vide ? • Emission thermoïonique (on chauffe) • Photo-émission (on bombarde avec des photons d’énergie suffisante E= hν) Photon d’énergie supérieur à φ e- Travail de sortie φ Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (52) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Extraire des électrons d’un métal dans le vide ? On peut aussi appliquer un champ électrique qui courbe la barrière de potentiel Champ électrique intense e- qui traverse la barrière de potentiel par effet tunnel Les électron traverse la barrière par effet tunnel et on parle alors d’émission de champ froide. ~3 V / nm !!!!!!!!!!! Champs électriques nécessaires 9 ~ 3 10 V / m Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (53) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Extraire des électrons d’un métal dans le vide ? Comment obtenir de tels champs électriques ? Rappel, le champ disruptif de l'air est évalué à 3600 kV/m pour de l'air sec à la pression atmosphérique et au niveau de la mer, il peut descendre à un seuil de 1000 kV/m dans un air saturé en humidité, ceci pour des distances inter-électrodes proches d • Champ électrique entre deux plaques F= V / d par exemple 1000 volt /1 cm F=10-4 Volt /nm V Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (54) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Extraire des électrons d’un métal dans le vide ? Comment obtenir de tels champs électriques ? • Champ électrique sphères concentriques F (r ) = V rR 0 0 (r0 + R0 ) 1 r 2 F (r0 ) = V si R0 >> r0 r0 par exemple 1000 volt /50 nm F(r0) = 20 Volt /nm C’est-à-dire une augmentation de 105 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (55) r0 R0 Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Extraire des électrons d’un métal dans le vide ? Comment obtenir de tels champs électriques ? •Effet de pointe Pointe en face d’un plan V F ( r0 ) = κ r0 κ ≅ 6 (R0 >> r0) On peut obtenir des champs suffisant pour extraire des électrons par effet tunnel en utilisant une géométrie pointe. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (56) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Extraire des électrons d’un métal dans le vide ? Microscope à effet de champ Ecran e- Image obtenu par émission de champ d’un nanotube de carbone Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (57) e- Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Extraire des électrons d’un métal dans le vide ? Evolution du courant I(V) = A V2 exp[-B Φ3/2/V] Equation de Fowler-Nordheim Evolution du courant extrêmement rapide. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (58) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Extraire des atomes (des ions) d’un métal dans le vide ? Evaporation de champ, désorption de champ Atome neutre - force attractive - + Champs électriques nécessaires Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (59) Dans un champ électrique (E) fort, création et éjection d'un ion !!!!!!!!!!!!!!!!! ~30 V / nm !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ~ 3 1010 V / m Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Extraire des atomes d’un métal dans le vide ? Potential energy Modèle énergétique pour l’évaporation de champ Ionic curve Ι−φ Ionic curve with field Λ Atomic curve Q IF Q CE x c Distance from "surface" Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (60) Par effet tunnel on peut avoir éjection d’ions à partir des atomes de surface. Cette effet est très sensible au champ électrique. Cela amène un lissage au niveau atomique de la surface. Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Voir des atomes par émission ionique Microscopie ionique Ionisation de champ Gaz d’image (He, H, Ne, etc.) Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (61) Evaporation de champ Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Voir des atomes par émission ionique Microscopie ionique Première observation des atomes par Edwin Muller en 1951 …. Bien avant le TEM et le STM Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (62) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Erwin Müller (1911-1977), le premier homme a observer expérimentalement des atomes Erwin Müller, and his graduate student Kanwar Bahadur, used their FIM to resolve clearly the individual atoms in a piece of crystalline wire. For mankind this was a landmark achievement, the first convincing direct visual evidence that the atomic notion of Democritus was indeed true. And most amazingly, this was achieved not with a room-size apparatus and racks of electronics, but a diminutive instrument blown from glass that could readily fit in a backpack. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (63) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Extraire des atomes dans le vide …….. Et les analyser ??? Atom Probe Tomography (APT) ou sonde atomique tomographique Chaque atome émis est analysé chimiquement par un « temps de vol » et sa position déduite grâce à un détecteur sensible à l’endroit du choc. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (64) Chap. 3 : les outils des nanos Émission de champ Observer de l’évaporation de champ en direct Film évaporation d’un nanotube de BN Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (65) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Il s’agit d’utiliser un faisceau d’ions focalisés pour interagir avec la matière. Il existe plusieurs types de sources pour les FIB (LMIS, plasma, ASIS, …) ici nous nous concentrerons sur la source la plus utilisé (et de loin) la source LMIS à Gallium. Présentation rapide Rappel sur les sources « Liquid Metal Ion Sources » Applications et exemples d’utilisation Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (66) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Colonne ionique Colonne électronique Présentation rapide Aspect d’un gros MEB Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (67) Dual Beam : 1 colonne ionique + 1 colonne electronique Prix ~ 500 k€ Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Structure schématique d’un dual Beam Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (68) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Principe de base d’une source LMIS- FIB IA + LMIS Production du faisceau ionique Extracteur Premier lentille Diaphragm Selecteur de masse Ionique Focalisation Deuxième lentille Système de balayage Détection Particules Reflechie Injecteur de gaz Substrat Zone d'intéraction Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (69) Interaction Ions/ Matière Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) La source LMIS- Gallium IA C’est la source quasi exclusive des FIB La source ionique est principalement du Gallium (nombreux avantages) Présentation rapide Fonctionnement à faible chauffage voir chauffage nul La Gallium est liquide et les ions Ga+ sont produits à l’extrémité Cone deTaylor Nanojet (~nm) Ion Beam Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (70) A l’extrémité il se forme un cône (cône de Taylor) à l’extrémité duquel apparait un jet nanométrique d’où partent les ions Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Le Gallium Présentation rapide Applications et exemples d’utilisation Découvert en 1875 par Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran Température de fusion : 29,8 °C Température d’évaporation : 2204 °C Faible pression de vapeur même à haute température Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (71) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Les applications dépendent de l’énergie, du courant, des ions, …. Déposition Modification structurale Usinage Dopage Dopage Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (72) Analyse Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Caractéristique d’un FIB typique • • • • • Energie du faisceau : 5 - 100 keV (plutôt 30kV) Courant : 1 pA (10-12 A) – 20 nA (10-9 A) Meilleur résolution cité - 8 nm (NANOFIB) Typiquement on travail à 100 nm taille de focalisation Pression du vide 10-7 Torr Note sur le taux de bombardement 1 pA ~ 107 particules/sec Densité de sites atomiques sur une surface ~ 1015/cm2 Si la zone est de 10x10 nm2 = 10-12 cm2 tout site atomique visité en t = 1015*10-12/107 = 10-4 sec 1 nA : 100x100 nm2 t = 10-5 sec Si rendement = 1, on peut creuser à ~1-100 µm/sec ! (on suppose une épaisseur atomique de 0.3 nm) Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (73) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Le FIB : un processus série Faisceau d'ions large FIB Balayage Masque Structure locale PROCESSUS PARALLELE : RAPIDE MAIS BESOIN D'UN MASQUE Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (74) PROCESSUS SERIE : LENT MAIS SANS MASQUE ET FLEXIBLE Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) gravure déposition imagerie Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (75) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Quelques films de gravures au FIB Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (76) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Imagerie par FIB : effet de channelling ou « canalisation » + + Libre parcours moyen des électrons ~ dizaine de nm (dans les métaux) microcristaux de Nickel Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (77) Donc le rendement des e- secondaires à partir d’ions qui entre profondément par channeling est réduit → contraste dans les images des matériaux polycristallins. Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Effet du tilt sur les contrastes de l’image Analyse des tailles des cristaux Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (78) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) gravure déposition imagerie Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (79) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Ajout d’un système d’injection de gaz Les molécules de gaz adsorbées à la surface vont être décomposées par le faisceau d’électron ou d’ions. On peut par ce principe déposer du carbone, des métaux (W, Pt, …) et même des isolants. Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (80) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) E/I BID : Electron / Ionic Beam Induced Deposition : quelques exemples simples SEM 5 kV 15 kV Astigmatic beam Réalisation de contact sans étape de lithographie Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (81) 2 kV tdep = 30s Dépôt réalisés au MEB en mode spot Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Autres exemples de déposition plus compliqués Toshiaki Fujii, and Takashi Kaito, Microsc. Microanal. 11(Suppl 2), 2005 Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (82) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Autres exemples de déposition plus compliqués H.Dallaporta – CRMCN Marseilles H.Dallaporta – CRMCN Marseilles C. Burkhardt, NMI Reutlingen 14 µm A.Linden – Raith GmbH M.Prestigiacomo – Orsay Physics Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (83) H.Dallaporta – CRMCN Marseilles Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Autres exemples de déposition plus compliqués Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (84) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Modification d’un micro-circuit : utilisation combinée de l’usinage et du dépôt Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (85) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Détection de panne, fabrication de couches minces pour TEM Problème : Si la tension de grille dépasse environ 17 V l’oxyde est détruit et un courant important passe entrainant la fusion du silicium Une fois le transistor localisé on usine rapidement pour l’atteindre Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (86) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (87) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (88) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Une fois la panne trouvée, fabrication d’une tranche pour observation en Microscopie Electronique à Transmission Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (89) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Films sur la réalisation de lames TEM Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (90) Chap. 3 : les outils des nanos Le FIB (Focused Ion Beam) Polytech-Lyon / Matériaux 5ème année (2013-2014) (91)
