Nanostructuration de surfaces de silicium pour guider la croissance auto-organisée de nanostructures métalliques - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2005

Nano-patterned silicon surfaces for the self-organised growth of metallic nanostructures

Nanostructuration de surfaces de silicium pour guider la croissance auto-organisée de nanostructures métalliques

Amanda Martinez-Gil
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 833194

Résumé

The aim of this work is to obtain a very regular alignment of metallic nanostructures with high density and a narrow size distribution via a self-organised growth process. The method consists of combining microelectronic processes which will provide a periodic surface pattern, with self-assembled growth on the so-obtained surface. The structured surface serves as a template for the controlled positioning of the nanostructures. Concerning the silicon template preparation, the surface periodicity should be of the same order of magnitude as the atomic surface diffusion length used during subsequent growth. These surface patterns were obtained on vicinal silicon surfaces by optimising electron-beam nanolithography and reactive ion etching (design of experiments), to create arrays of nano-holes typically 40 nm in diameter with a 40 nm spacing. A subsequent sample annealing under ultrahigh vacuum conditions is studied in order to obtain a corrugated surface mimicking the lithography pattern. As a model system, the growth of Au on vicinal Si(111) surfaces has been chosen. After high temperature annealing, clean Si surfaces present arrays of straight step bunches each separated by 50 nm. We obtain the formation of Au islands on these step bunches during growth. Theses conditions can be applied to naturally and artificially nanostructured surfaces to obtain self-organized growth of Au nanostructures.
Ce travail de thèse porte sur le développement d'une méthode novatrice de réalisation de nanostructures. Offrant la possibilité de nanofabrication au-delà des limites des techniques de litho-gravure (approche "top-down"), la croissance en mode tri-dimensionnel (approche "bottom-up"), qui se caractérise par la formation spontanée d'îlots à partir d'atomes déposés en surface, fournit des nanostructures avec d'excellentes qualités (résolution, interface). L'idée de ce travail a été d'étudier la structuration du substrat pour provoquer un arrangement périodique de ces îlots nanométriques avec une faible dispersion en taille. Cette pré-structuration est obtenue de façon "naturelle" à partir des marches des surfaces vicinales et de façon "artificielle" en imposant un motif périodique par litho-gravure. Nous avons élaboré des réseaux de trous sur des surfaces vicinales de Si(111) par lithographie électronique et gravure ionique réactive. Une optimisation des conditions de litho-gravure par plan d'expériences a permis de fabriquer des réseaux de trous de 40 nm de diamètre espacés de 40 nm, avec un facteur de forme supérieur à 1. La structuration de surface se poursuit par un recuit sous ultravide qui permet de réarranger la morphologie de celle-ci, notamment en ordonnant les marches suivant le réseau prédéfini par litho-gravure. Partant d'une surface avec des trous plus profonds et en procédant à son hydrogénation, l'optimisation de la durée et de la température de recuit permet d'éviter l'annihilation des trous avant le réarrangement total de la surface. Parallèlement à cela, il a fallut trouver les futures conditions de croissance permettant l'auto-organisation d'îlots d'or sur ces surfaces ainsi structurées. Pour cela, nous avons utilisé la surface "modèle" Si(111) désorientée de 2° vers [11-2] qui présente, grâce aux effets d'accumulation de marches (effets de "step bunching"), une structuration naturelle 1D avec une périodicité voisine de celle recherchée lors de la structuration artificielle. En ajustant le flux d'atomes et la température, c'est-à-dire la longueur de diffusion des ad-atomes d'or, nous avons obtenu un alignement d'îlots nanométriques le long des bords de marche de ces surfaces vicinales. Ceci est un premier pas vers la croissance auto-organisée en 2D, basée sur l'association des approches "top-down" et "bottom-up".
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Dates et versions

tel-00012192 , version 1 (28-04-2006)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00012192 , version 1

Citer

Amanda Martinez-Gil. Nanostructuration de surfaces de silicium pour guider la croissance auto-organisée de nanostructures métalliques. Physique [physics]. Université Paris Sud - Paris XI, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00012192⟩
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