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Nanostructures, Pr E.H.ATMANI 20/12/2020 Master IPMA, FST Mohammedia 1 Master I

Nanostructures, Pr E.H.ATMANI 20/12/2020 Master IPMA, FST Mohammedia 1 Master IPMA Module Nanostructures et Matériaux Avancés Responsable : Pr E. H. Atmani Département de Physique FST Mohammedia 1 Elaboration et Caractérisation de Nanostructures Chapitre 3 Nanostructures, Pr E.H.ATMANI 20/12/2020 Master IPMA, FST Mohammedia 2 Introduction Précision des procédés (en µm) 1000 1 0,001 1800 1900 2000 Contrôle à l’échelle du mm Première révolution industrielle à la fin du XIXème Siècle Drilling machine of Wilkinson (1774) 1270 mm hole with accuracy of 1 mm Contrôle à l’échelle du mm Développement de la microélectronique au milieu du XXème siècle Contrôle à l’échelle du nm Troisième révolution industrielle au début du XXIème siècle? Jack Kilby first integrated circuit (1958) Nanotubes de carbone Années Méthodes Descendantes (Top-Down) Méthodes Ascendantes (Bottom-up) I- Les techniques d’élaboration des nanomatériaux Nanostructures, Pr E.H.ATMANI 20/12/2020 Master IPMA, FST Mohammedia 3 transistor Contexte scientifique et technique Deux approches convergentes : L’approche « top-down » Celle de la microélectronique Réalisation de composants nouveaux, présentant des effets physiques nouveaux et propriétés nouvelles, spécifiquement liés à leur taille nanométrique. (ex: têtes de lecture à magnétorésistance géante, nanotubes pour écrans plats…) L’approche « bottom-up » Celle de la chimie et biologie Ingénierie de molécules ayant des fonctionnalités nouvelles, auto-assemblage, biomimétisme Biopuce à ADN Puce 1 m 100 mm 10 mm 1 mm 100 µm 10 µm 1 µm 100 nm 10 nm 1 nm 0,1 nm Approche Top-Down Broyage Lithographie et lift-off Nano agrégats (0D) ZnO dopé Al Nanoparticules auto-organisées (0D) Nanoparticules d’Al sur Si Approche Bottom-up - Pyrolyse - Sol-gel - Condensation en phase vapeur Evaporation sur substrat Nanoparticules d’Au sur Si Structures 0D Nanostructures, Pr E.H.ATMANI 20/12/2020 Master IPMA, FST Mohammedia 4 Approche Top-Down Approche Bottom-up Les nanotubes (1D) Gravure Chimique Si poreux Lithograpie + Gravure réactive Nanotubes de Si - Evaporation - Dépôt par MBE - Ablation Laser Nanotubes de ZnO Les Couches minces (2D) Approche Bottom-up Chimiques : - Sol-gel - Electrolyse - CVD Physiques : - Pulvérisation - Evaporation Nanostructures, Pr E.H.ATMANI 20/12/2020 Master IPMA, FST Mohammedia 5 Technique de Lithographie Lithographie : Consiste à reproduire sur une résine photosensible le dessin des circuits à réaliser. Les étapes de Lithographie sont les suivantes : Etape 1 : Protection du substrat par une couche appelée «resist coating» en PMMA (polymethylméthacrylate, mieux connu sous le nom de plexigas). Etapes 2-3 : Irradiation de la surface à l’aide d’un faisceau optique ou électronique et on dessine ainsi le circuit que l’on souhaite réaliser. Le faisceau casse des liaisons dans le PMMA et le rend ainsi soluble. On élimine ensuite la partie gravée à l’aide d’un solvant approprié. Etape 4 : Dépôt du métal souhaité par évaporation. Le métal est déposé directement sur le substrat dans la partie dessinée et sur le PMMA. Etape 5 : Dissollution ou (”lift-off”) du PMMA avec un autre solvant approprié et dépôt du metal exactement selon la gravure dessinée. Nanostructures, Pr E.H.ATMANI 20/12/2020 Master IPMA, FST Mohammedia 6 Gravure Lithographie Optique Masque d = k λ nsin(θ) Dimension critique Nanostructures, Pr E.H.ATMANI 20/12/2020 Master IPMA, FST Mohammedia 7 Pour réduire la taille des structures lithographiées il faut : 1/ Diminuer la longueur d’onde 2/ Augmenter l’indice optique 3/ Réduire le facteur de proportionnalité k relatif au masque L'enjeu étant de réaliser des circuits toujours plus petits, le plus petit motif gravé en production avait une taille de 90 nm en 2004. Et, en février dernier, IBM a annoncé avoir gravé des circuits de 29,9 nm. Il semble toutefois qu'on atteigne là les limites de la miniaturisation par ce procédé, parce que la longueur d'onde même des rayons utilisés (193 nm pour l'UV lointain) ne permet pas une résolution plus fine. La lithographie optique devra donc céder la place à des procédés faisant appel à des faisceaux de rayons X, d'ions ou même d'électrons . Lithographie par faisceau d’électrons § Avec un microscope électronique à balayage, on peut focaliser les électrons jusqu’à obtenir un faisceau de quelques nm § Le substrat est enducté de résine sensible aux électrons § La surface à écrire est balayée par le faisceau électronique Microscope électronique à balayage Nanostructures, Pr E.H.ATMANI 20/12/2020 Master IPMA, FST Mohammedia 8 Lithographie par réplication Principe Martini Tech LAAS-CNRS Berkley National Laboratory Technique d’Evaporation Nanostructures, Pr E.H.ATMANI 20/12/2020 Master IPMA, FST Mohammedia 9 § La pression de vapeur désirée du matériau source peut être générée en chauffant simplement la source à des températures élevées. § La concentration des espèces dans la phase gazeuse peut être facilement contrôlée en faisant varier la température de source et le flux du gaz porteur § Il est difficile de déposer des films complexes. Lorsqu'un mélange d'éléments ou de composés est utilisé comme source pour la croissance d'un film complexe, un élément peut s’évaporer plus rapidement qu’un autre limitant ainsi l’approvisionnement en cet élément. § Le dèpôt de films par cette technique se fait sous vide (10-3 à 10- 10 Torr). Il est donc difficile d’obtenir des films uniformes sur des surfaces larges. Ablation Laser Nanostructures, Pr E.H.ATMANI 20/12/2020 Master IPMA, FST Mohammedia 10 Le dépôt par ablation laser (PLD) fut en effet expérimentée pour la première fois en 1965 par Smith et Turner peu de temps après l’apparition des lasers. La PLD est une technique conceptuellement simple : un faisceau laser pulsé intense passe par la fenêtre optique d’une chambre à vide et est focalisé sur une cible qui peut être solide ou liquide. L’énergie est partiellement absorbée et si la densité d’énergie est supérieure au seuil de claquage du matériau, l’interaction laser-matériau résulte en la création d’un plasma constitué d’espèces partiellement ionisées dirigé perpendiculairement à la surface de la cible. Un substrat est placé face à la cible à une certaine distance de celle-ci et les espèces du plasma s’y condensent. Il s’en suit donc la nucléation et la croissance du film. Les matériaux développés : Films organiques et inorganiques d’oxydes, Nanoparticules métalliques, Multicouches Le dépôt par ablation laser (PLD) fut en effet expérimentée pour la première fois en 1965 par Smith et Turner peu de temps après l’apparition des lasers. La PLD est une technique conceptuellement simple : un faisceau laser pulsé intense passe par la fenêtre optique d’une chambre à vide et est focalisé sur une cible qui peut être solide ou liquide. L’énergie est partiellement absorbée et si la densité d’énergie est supérieure au seuil de claquage du matériau, l’interaction laser-matériau résulte en la Epitaxie par jets moléculaires Nanostructures, Pr E.H.ATMANI 20/12/2020 Master IPMA, FST Mohammedia 11 § Méthode d'évaporation dédiée pour la croissance d'un film monocristallin, avec une évaporation fortement contrôlée d'une variété de sources dans un ultra-vide typiquement de 10-10 torr. § les atomes ou molécules évaporés d'une ou plusieurs sources n’intéragissent pas entre eux dans la phase gazeuse. § Une surface et une interface très lisses sont réalisables en contrôlant la croissance au niveau de la couche monoatomique. § L'environnement extrêmement propre, le taux de croissance lent et le contrôle indépendant de l'évaporation de sources individuelles permettent la fabrication précise de nanostructures et de nanomatériaux à une seule couche atomique § Possibilité de suivre en temps réel l’aspect structural et chimique du dépôt : - (high energy electron diffraction (RHEED), X-ray photoelectric spectroscopy (XPS), Auger electron spectroscopy (AES) Nanostructures, Pr E.H.ATMANI 20/12/2020 Master IPMA, FST Mohammedia 12 Technique Sol Gel § La méthode Sol-gel est largement utilisé dans la synthèse de matériaux hybrides inorganiques et organiques inorganiques. § Elle est capable de produire des nanoparticules, des nanorods, des et des films minces. § Les films sol-gel sont réalisés par revêtement de sols sur des substrats. Méthodes couramment utilisées pour le dépôt de films sol-gel : - Spin – Coating - Dip - Coating Dip-Coating Un substrat est immergé dans une solution et retiré à une vitesse constante. Lorsque le substrat est retiré vers le haut, une couche de solution est entraînée, et une combinaison de forces de traînée visqueuse et de gravité détermine l'épaisseur du film. Étapes du procédé Dip-Coating • Immersion Drainage par dépôt • Évaporation L'épaisseur d'un film enduit par immersion se situe généralement dans la plage de 50 à 500 nm Spin Coating § Est utilisé couramment en microélectronique pour déposer des photoresists et des polymères spéciaux. § Quatre étapes de revêtement par centrifugation : - Dépôt de la solution ou sol sur le substrat - Spin-up - Spin-off - Evaporation § Après la distribution du liquide sur le substrat, des forces centrifuges entraînent le liquide à travers le substrat (spin-up). Le liquide en excès est éjecté du substrat pendant le spin off. Lorsque l'écoulement dans le revêtement mince n'est plus possible, l'évaporation prend le relais pour réduire davantage l'épaisseur du film Nanostructures, Pr E.H.ATMANI 20/12/2020 Master IPMA, FST Mohammedia 13 Nanostructures, Pr E.H.ATMANI 20/12/2020 Master IPMA, FST Mohammedia 14 Nanostructures, Pr E.H.ATMANI 20/12/2020 Master IPMA, FST Mohammedia 15 II - Comment visualiser les Nanomatériaux : Nanocaractérisation L’œil humain : Limite de résolution d≈0,2 mm = 200 000nm Microscope Optique: Limite de rsolution d≈1 µm = 1000 nm Pour réduire de 1000 uploads/Ingenierie_Lourd/ chap3-nanostruct.pdf