Alignement et caractérisation de nanofils semiconducteurs

Alignment and characterization of semiconducting nanowires

• Auteur / Autrice : Marcin Marczak
• Direction : Leszek Adamowicz, Thierry Mélin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanotechnologies, Acoustique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 17/09/2009
• Etablissement(s) : Lille 1 en cotutelle avec Politechnika Warszawska

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'impédance

Silicium cristallisé

Semiconducteurs dopés

Microfluidique

Spectroscopie Raman

Nanofils

Diélectrophorèse

Mots clés libres

Systèmes nanoélectromécaniques

Silicium amorphe

Résumé

La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude par spectroscopie Raman de nanofils de silicium isolés fabriqués par CVD. L'analyse des spectres Raman indique la présence à la fois des phases du silicium cristallin (cSi) -520 cm-l et amorphe (aSi) - 470 cm-l qui forment une structure cœur-coquille (cSi-aSi). La température de Tcsi < Tasi est déterminée en fonction du rapport des intensités Stokes/anti-Stokes, de la position et de la largeur à mi-hauteur des pics Raman, On montre que le cœur des nanofils est en bon contact thermique avec le substrat, favorisant l'évacuation de chaleur. L'asymétrie de type Fano du pic à 520 cm-l permet en outre d'estimer le dopage au bore des nanofils silicium, de l'ordre de 10*19 cm-3. Dans la deuxième partie, une nouvelle approche d'assemblage de nanofils à partir de suspensions liquides est présentée. Elle est basée sur un dispositif de micro-pompe par diélectrophorèse à champ propagatif qui génère la polarisation à quadrature de phase par dispersion structurelle entre l'isolant capacitif de la matrice d'électrodes et le liquide faiblement conducteur. La spectroscopie d'impédance est utilisée, afin de détenniner la fréquence de croisement et de maximiser l'effet de pompage. La propagation et rotation des nanofils sont observées et interprétées en termes d'une compétition entre forces de pompage, de piégage et d'entraînement visqueux. Dans la troisième partie, une procédure de préparation des structures à nanofils suspendus basée sur la diélectrophorèse statique est présentée. Ces structures permettent (1) la réalisation de systèmes nanoélectromécaniques suspendus (e.g. pour biocapteurs) (2) pour tester le comportement de nanofils suspendus en tant que transistors, en couplage directement avec la spectrométrie Raman (variations de l'asymétrie de type Fano du pic 520cm-l en fonction de la tension de grille).

This work is divided into three sections. The fist part deals with the results of Raman scattering of well-separated silicon nanowires (SiNW) grown by CVD method and deposited on an Au surface. The Raman spectra analysis indicates the presence of two silicon phases: crystalline (cSi) - 520 cm-l and amorphous (aSi) - 470 cm-l, forming core (cSi) - shell (aSi) structure. The Raman spectra have been acquired from three points along cone shaped nanowires: base, centre and tip. Based on the Stokes/anti-Stokes intensity ratios, the position and full width at half maximum of the Raman peaks, temperatures of the Tasi > Tcsi was determined. It suggests that the nanowire cSi core is in a good thermal contact with the metallic substrate, thus improving the heat evacuation of the SiNW core, for which the thermal conductivity is known to be low. Additionally a boron doping of SiNW from Fano-like asymmetry of the peak at 520 cm-l was estimated at 10*19 cm-3. ln the second part a new approach to SiNWs manipulation is presented. At the beginning the travelling wave dielectrophoresis (twDEP) micro liquid pump design and work principle is presented. Our device is used to simultaneously pump a weakly ionic NW suspension and to trap and to rotate NWs. The rotation is out-of-plane with respect to the electrodes. To maximize liquid pumping the cross-over frequency of the RC replacement circuit representing the liquid conductivity and the insulating layer covering the electrodes was determined by impedance spectroscopy. The observed propagation and rotation of nanowires is explained by means of a frequency dependent competition between trapping and drag forces. ln the third part a procedure, based on static DEP, to prepare a suspended nanowire structures is presented. They are used for: (1) nanoelectromechanical systems (e.g.for a biosensor); (2) nanowire field effect transistor coupled to Raman spectrometer (to observe a change in asymmetry of Fanolike 520cm-1 peak in function of the gate voltage).