Fabrication et étude d'une diode moléculaire à résistance<br />différentielle négative greffée sur silicium terminé hydrogène. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2004

Manufacturing and study of a molecular NDR diode grafted on hydrogen terminated silicon.

Fabrication et étude d'une diode moléculaire à résistance
différentielle négative greffée sur silicium terminé hydrogène.

Résumé

Molecular electronics aims at the use of the transport of electrons through the frontier orbitals of a single molecule or a small group of molecules. Its development implies the achievement of hybrid devices where molecular components stand alongside classical CMOS components. This work aims at the manufacturing of such a device. In this project, a complex molecular monolayer constitutes the electroactive core of a vertical device. The bottom electrode is the silicon substrate to which the monolayer is covalently grafted. The top electrode is made of a single wall carbon nanotube. This ready-made nanometric electrode limits the number of connected molecules. It is then connected to gold leads build by a classical top-down process.
The first part of this work focused on the multisteps synthesis of complex molecular monolayers grafted on hydrogen terminated silicon surfaces. This is a three steps process. First we prepared atomically flat Si(111)-H substrate by anisotropic wet etching. Then we grafted a simple aliphatic monolayer terminated by a functional group. Finally we used this simple monolayer as precursor for the synthesis of the target complex monolayer through simple and mild chemical reactions. This multisteps approach avoid to expose the whole final molecule to the grafting step conditions. Two grafting methods were used : thermal hydrosilylation of w-functionalised 1-alkenes and electrochemical cleavage of halogenoalkanes. One of the main result is the monolayer packing achieved depending of the steric hindrance of the functional group for the simple monolayer. Finally we used the reactivity of carboxyl and N-succinimidyl ester terminated monolayers to build target monolayers through esterification or amidification reactions. All along the process, surfaces were characterised using ATR-FTIR, XPS and AFM. A peculiar attention was paid to the reoxidation of the silicon substrate.
In the second part of this work, we focused on the manufacturing by classical top-down means of an electronic device that could interface the molecular monolayer grafted on silicon to microscopic leads. This device is based on a double trench etched in a thick silicon oxide layer. This is an attempt to address an intrinsic difficulty of the molecular electronics : on one hand the SWNT must come in contact with the few nanometers thin monolayer, on the other hand, the gold/SWNT must be done on an oxide layer thick enough to avoid leakage current. Although this device did not allow electrical measurement of the transport properties of a monolayer, it is still a first step toward integration of molecular electronics in a CMOS architecture.
L'électronique moléculaire cherche à exploiter les propriétés de transport des électrons d'une ou d'un petit ensemble de molécules à travers les orbitales frontières. Son développement passe par la réalisation de composés hybrides, alliant des éléments actifs moléculaires à la technologie CMOS actuelle. Le but de ce travail est la réalisation d'un dispositif de ce type dans lequel une monocouche moléculaire complexe constitue le coeur électroactif d'un dispositif vertical. L'électrode inférieure est constituée par le substrat de silicium sur lequel la monocouche est greffée de façon covalente. L'électrode supérieure est constituée d'un nanotube de carbone simple paroi. Cette électrode nanométrique préconstruite limite le nombre de molécules connectés. Le nanotube est ensuite connecté à électrodes d'or construite par un procédé top-down classique.
La première partie de ce travail c'est donc concentrée sur la synthèse multiétapes de monocouches moléculaires complexes greffées sur surfaces de silicium terminé hydrogène. Ce procédé implique trois étapes : la réalisation de substrats de silicium (111) terminés hydrogène atomiquement plans par gravure humide anisotrope, puis la formation d'une monocouche d'accroche aliphatique portant un groupement fonctionnel par greffage covalent sur ces substrats et enfin l'utilisation de ces couches d'accroche dans des réactions chimiques classiques pour la formation complète de l'édifice cible. Ce procédé séquentiel a été choisi de façon à ne pas détérioré l'édifice moléculaire par les conditions de greffage sur le silicium. Pour la formation de la monocouche d'accroche, deux méthodes de greffages ont été particulièrement étudiées : l'hydrosilylation thermiques d'alc-1-ènes w-fonctionnalisés et le greffage par clivage électrochimique de composés halogénés. L'un des résultats principal apporté par ce travail est l'influence de l'encombrement stérique du groupement fonctionnel terminal sur la compacité de la monocouche obtenue. Enfin, la réactivité de monocouches d'accroche terminées carboxyl et ester N-succinimidyl a été mise à profit dans des réactions d'estérification et d'amidification douces pour construire les édifices cibles. Au cours de ces trois étapes, les surfaces ont été caractérisées par FTIR-ATR, XPS et AFM. Une attention particulière est portée sur la réoxydation du substrat de silicium au cours des différentes étapes.
Dans une seconde partie, nous nous sommes attachés à réaliser par des méthodes de nanofabrication top-down classiques un dispositif électronique permettant d'interfacer la monocouche greffée sur silicium à des électrodes microscopiques. Ce dispositif présente un profil en double tranchée réalisé dans un oxyde épais. Il constitue un début de réponse à deux contraintes antagonistes caractéristiques de l'électronique moléculaire : d'une part le nanotube de carbone doit toucher la monocouche, épaisse de quelques nanomètres, et d'autre part, les contacts entre le nanotube et les électrodes d'or doivent être réalisés sur une épaisseur d'oxyde suffisante pour éviter tout courant de fuite avec le silicium sous-jacent. Sans avoir permis de mesure des propriétés électroniques de la monocouche, ce dispositif constitue cependant un premier pas vers l'intégration de composant actifs moléculaires dans une architecture CMOS.
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tel-00150238 , version 1 (29-05-2007)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00150238 , version 1

Citer

Laurent Baraton. Fabrication et étude d'une diode moléculaire à résistance
différentielle négative greffée sur silicium terminé hydrogène.. Matériaux. Université Paris Sud - Paris XI, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00150238⟩

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