Ecriture atome-par-atome sur la surface de Si(100) :H-(2×1) avec une des pointes du LT-UHV 4 STM

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Introduction

À la fin des années 1950, la réduction en taille des composants électroniques litho-graphiés à la surface d’un semi-conducteur est en marche. La mise en évidence du rôle des macromolécules, que sont les protéines dans les processus vitaux, de même que la demande technologique créée par la guerre froide, ont certainement ouvert la voie à cette miniaturisation. En 1969, les travaux du chimiste H. Taube [21] sur les mécanismes de transfert d’électrons intramoléculaires ont poussé les chercheurs de l’époque à anticiper les limites de cette miniaturisation et donc s’aventurer en deçà des macromolécules. En 1974, A. Aviram et M. Ratner ont alors démontré théorique-ment comment une seule molécule organique de 1.2 nm de long pourrait se compor-ter comme un redresseur de courant, une fois connectée aux 2 électrodes métalliques d’une nano-jonction tunnel [5]. Avec cette molécule-diode, l’électronique molécu-laire était née. En 1984, des modèles chimiques plus complexes ont été proposés par F.L. Carter [20]. Ces modèles visaient à intégrer un circuit électronique complet dans une seule molécule. F.L. Carter a ainsi anticipé le casse-tête technologique futur, de l’assemblage molécule-par-molécule d’un grand nombre de petites molécules dans un réseau complexe de nano-jonctions métalliques [20].
La fin des années 1950 marque le plein essor des microscopes électroniques, qui permettent l’observation de la matière à l’échelle atomique, avec le microscope à émission de champ (FEM) [57]. Ce sera bientôt au tour du microscope à effet tunnel (STM) d’accéder à la résolution atomique. Ce microscope, inventé par G. Binnig et H. Rohrer au début des années 80 [15], a servi, tout d’abord, à l’observation de la sur-face des semi-conducteurs, puis, à l’obtention d’une résolution atomique de surface. En 1986, et en 1987 J.A. Golovchenko [32, 11] démontre expérimentalement le mé-canisme de transfert d’un seul atome de la pointe du STM vers une surface de Ger-manium. Grâce à sa pointe métallique contrôlée à 0.1 nm près au-dessus d’une sur-face métallique, le STM permet d’accéder mécaniquement à la molécule unique, et à l’atome individuel. Des caractéristiques courant-tension de la jonction tunnel STM peuvent alors être enregistrées sur un seul atome de la surface, pendant quelques secondes, ce qui est bien sûr impossible avec un FEM. Les études de contact pointe-adsorbat isolé ont connu un fort développement avec les travaux de J.K. Gimzewski et coll. [31], puis ceux d’A. Aviram et coll. [4] et enfin, de D. Eigler [28] dans son ef-fort pour amener le STM à une précision verticale de 0.01 nm. La première mesure de résistance électrique d’une seule molécule adsorbée sur l’Au(110) a été réalisée par C. Joachim et coll., en 1995, selon cette technique d’approche progressive de l’apex de la pointe STM au contact d’un seul C60 sur une surface [39].
À la même période, le dessin des circuits électroniques est ramené à l’échelle atomique par Y. Wada [86] ainsi que l’étude de M. Aono [43] et de P. Avouris [6] de la modification nanométrique par STM d’abord, puis à l’échelle atomique, d’une surface de silicium, bien préparée en ultra vide (UHV). Ces travaux avaient déjà pour finalité immédiate de dépasser l’électronique moléculaire naissante et à long terme de concevoir des composants électroniques élémentaires, comme une diode ou un commutateur à l’échelle atomique [27]. La mesure de la résistance électrique d’un ou deux atomes de Xénon est réalisée par D. Eigler en 1996 [92]. Il devient alors envisageable de fabriquer atome-par-atome avec la pointe d’un STM, un circuit électronique à l’échelle atomique, en utilisant la surface d’un semi-conducteur bien préparée à l’échelle atomique.
En parallèle de ces premières mesures très précises avec un STM, il est possible de réaliser de manière statistique un grand nombre de mesures de la conductance de fils atomiques métalliques de quelques atomes de long [61], ou d’une seule molécule [58] avec la technique des jonctions cassées. Cette possibilité renforce l’intérêt pour le développement d’une technologie totalement planaire, applicable aux circuits élec-troniques atomiques et moléculaires. On assiste alors à l’atteinte des limites de la nano lithographie électronique [35] permettant la nano fabrication de nano jonc-tions métal-isolant métal totalement planes de distance inter-électrodes de l’ordre de quelques nanomètres. Cependant, la précision atomique nécessaire pour l’Elec-tronique mono-moléculaire (« méthode F.L. Carter ») ou pour l’Electronique atomique (« méthode Y. Wada ») [72] n’est pas atteinte.
Ce faisant, le STM continue d’évoluer ; il fonctionne désormais en l’ultra-vide et à très basse température, avec une stabilité mécanique qui permet de rester plus d’une heure en contact électronique vertical avec un seul atome de la surface. Ce besoin de passer en technologie planaire pousse des laboratoires au Japon, en Allemagne, au Canada et en France à développer les STM multi-pointes. La première version d’un STM à 4 têtes est commandée à la fin des années 90 par la société Hitachi à l’équipe-mentier Omicron. S’en suivra trois générations de STM à 4 pointes, la dernière a été utilisée pour la première fois pour cette thèse : le LT-UHV 4-STM.
Pendant la mise au point de cette nouvelle génération de STM à 4 pointes, dont les performances sont maintenant identiques par pointe aux meilleurs LT-UHV-STM, la recherche technologique sur la fabrication de véritables puces électroniques, ca-pables à la fois de passer du nano- au micromètre et d’enfin garantir la précision atomique de la construction des circuits, s’est développée avec la mise au point des premières puces à contact en face arrière. Cette technique préserve la précision ato-mique sur la face avant de la puce [54]. Dans cette thèse, nous avons utilisé les pre-mières puces en silicium » face avant-face arrière » produites pleine plaque 200 mm par le CEA-LETI [46].
Au Chapitre 2, une analyse détaillée est présentée sur les différents supports so-lides possibles, dont ces puces silicium » face avant-face arrière « , pour permettre la construction et la mesure (avec une précision atomique) d’un circuit construit atome-par-atome, à l’aide de la pointe d’un STM, en laboratoire (et en technologie planaire). En l’état actuel de la technologie, le choix de la surface Si(100)H-(2×1) se justifie donc pour cette thèse. Le tout nouveau LT-UHV 4-STM, installé en octobre 2014 au laboratoire, est entièrement décrit au Chapitre 3. Le Chapitre 4 présente l’utilisation de la surface Au(111) pour mettre au point et stabiliser ce nouvel instrument afin de le mener, par pointe, au meilleur des LT-UHV-STM à une pointe. Au Chapitre 5, nous passons à notre surface Si(100)H obtenue, soit à la surface des puces « face avant-face arrière » produites par le CEA-LETI, soit fabriquées in situ dans le LT-UHV 4-STM de l’Université de Cracovie. Généralement pratiquée avec un LT-UHV-STM à une pointe, l’écriture atome-par-atome, par manipulation STM verticale d’un atome d’hydrogène unique sur Si(100)H, est étendue au LT-UHV 4-STM, au Cha-pitre 6. Atteignant des précisions inférieures à 0.005 nm, les premières mesures du contact mécanique, électronique et chimique d’une des pointes du LT-UHV 4-STM, en contact avec une seule liaison pendante sur Si(100)H, sont décrites et discutées au Chapitre 7. Les premières mesures à 2 pointes STM, avec une précision atomique, sur des plots de contact, construits atome-par-atome sur la surface Si(100)H, sont présentées au Chapitre 8. Nous terminerons par une conclusion mettant en lumière les perspectives envisagées pour la finalisation de la construction de ces circuits ato-miques viables, tout en effectuant un bilan de notre étude

Table des matières

1 Introduction
2 Le choix de la surface-support du circuit atomique
2.1 Les possibles surface-supports
2.1.1 Les surfaces-support à larges gaps : Al2O3, AlN, NaCl, Ca-COOH, SiO2, h-BN.
2.1.2 Les surfaces-support sans gap
2.1.3 Les surfaces-support à petit gap
2.2 Technologie de construction des circuits
2.3 Les contacts
2.3.1 De l’échelle du micron à la dizaine de nm.
2.3.2 De l’échelle de la dizaine de nm au circuit atomique
2.4 Conclusion.
3 Le Nanoprobe : le LT-UHV-4 STM
3.1 Le LT-UHV-SEM-4 STM
3.1.1 Le cryostat.
3.1.2 Les 4 STM.
3.1.3 Le SEM
3.1.4 Les mesures à deux pointes
3.2 La chambre de préparation des surfaces d’étude.
3.3 La chambre d’impression.
3.4 Les pointes STM
4 La surface d’or (Au(111)) avec le LT-UHV-4 STM
4.1 Préparation de la surface d’Au(111)
4.2 Mesures avec une pointe sur le LT-UHV-4 STM
4.2.1 L’imagerie au 4-STM
4.2.2 La manipulation d’atomes.
4.2.3 Le contact atomique pointe-surface
4.3 Mesures à deux pointes au LT-UHV-4 STM
4.4 Conclusion.
5 La surface Si(100) :H-(2×1) avec une pointe du LT-UHV-4 STM
5.1 La caractérisation du Si(100) :H-(2×1)
5.2 La fabrication ex situ – échantillon A
5.3 Les particularités des échantillons encapsulés
5.4 La fabrication in situ – échantillon B.
5.5 Comparaisons et résultats – échantillons A et B
5.5.1 Structures atomiques et défauts
5.5.2 Imagerie atomique
5.5.3 Mesure du gap apparent à la surface.
5.6 Conclusions.
6 Ecriture atome-par-atome sur la surface de Si(100) :H-(2×1) avec une des pointes du LT-UHV 4 STM
6.1 La construction atome-par-atome
6.2 La lithographie STM
6.3 Ré-adsorption d’un atome d’hydrogène
6.4 Application à la construction de plots de liaisons pendantes
6.5 Conclusions.
7 Contacter une liaison pendante de silicium sur Si(100) :H-(2×1) avec le LTUHV-4 STM
7.1 Rappels sur les types contacts
7.2 Les courbes I-z sur la surface de silicium passivée en hydrogène
7.2.1 Sur un dimère d’hydrogène.
7.2.2 Au-dessus d’une liaison pendante de silicium
7.3 Discussion
8 Mesure de la conductance de surface avec des plots de liaisons pendantes
8.1 Mesures 2 pointes sur Si(100) :H-(2×1)
8.2 Mesures 2 pointes sur plot(s) de DBs
8.3 Conclusions.
9 Conclusion générale
10 Annexes
10.1 Schéma d’approche de 2 pointes du 4-STM sur une surface.
10.2 Barrière tunnel métal/vide/métal.
10.3 Spectroscopie STS en fonction de la hauteur – partie mesure à 2 pointes sur Si(100) :H-(2×1)
10.4 Courbes I-V sur les plots de liaisons pendantes
10.5 Courbes I-Z sur H et DB sur l’échantillon B