Vers une électronique mono-moléculaire à base de graphène : fabrication et caractérisation de composants à grilles latérales

Towards graphene based mono-molecular electronics : structural and electrical characterization of side-gated devices

• Auteur / Autrice : Ather Mahmood
• Direction : Christian Joachim, Erik Dujardin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique moléculaire
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique moléculaire

Graphène

Mots clés libres

Graphène

Microscope à force électrostatique

Cryotransport

Blocage de Coulomb

Résumé

L'objectif de ce travail de thèse est la production et la caractérisation de monofeuillets de graphène, sa structuration à l'échelle sub-micrométrique et l'étude des propriétés électroniques des feuillets et nanorubans de graphène. Le graphène est un arrangement bidimensionnel hexagonal d'atomes de carbone hybridé sp2. Bien que le graphène soit pressenti depuis plusieurs années comme un matériau aux propriétés électroniques nouvelles lorsqu'il est structurés à l'échelle nanométrique, son étude a été longtemps différée par la difficulté à préparer et identifier ce matériau d'épaisseur atomique. En combinant plusieurs approches, nous montrons comment des feuillets d'une seule, quelques ou plusieurs couches peuvent être produits sur des substrats de Si/SiO2 avec ou sans structures d'accueil. La caractérisation par microscopies optique, électronique à balayage ou à champ proche ont permis de caractériser la morphologie et le nombre précis de couches. En outre, la spectroscopie Raman a permis de distinguer clairement la monocouche exfoliée isolée des empilements lâches de multicouches découplées obtenues par épitaxie. Des plots de 20µm de diamètre ont été manipulé et amincis in-situ par exfoliation jusqu'à produire des dépôts <10 nm d'épaisseur entre des électrodes métalliques pré-définies. La lithographie par Faisceaux d'Ions Focalisé (FIB) a permis, à la fois, de déposer des contacts métalliques sur les disques de graphène multicouche mais aussi de les structurer en rubans de 2 µm de long et 80 - 250 nm de large avec grilles latérales en graphène. Le transport à basse température et sous effet de champ a été caractérisé et modélisé. Il met en évidence l'existence d'une chaine de points quantiques séparés par des barrières tunnel qui est également vu dans la plupart des nanorubans de graphène étudiés à l'heure actuel. . . .

This thesis work aimed at preparing and nanopatterning graphene as well as exploring the electronic properties of graphene sheets and nanoribbons. Graphene is a two-dimensional arrangement of sp2 hybridized carbon atoms into a honey-comb lattice. While graphene has long been predicted to show new transport behaviour when tailored at the sub-10 nm length scale, a major road-lock in graphene nanoelectronics was the efficient production of the one-atom thick sheet. By combining a number of approaches, we demonstrate how single, few and multiple layers of graphene can be produced on bare or pre-patterned Si/SiO2 substrates. Optical, scanning electron and scanning probe microscopy methods were applied to characterize and reliably determine the number of layers. Additionally, Raman spectroscopy clearly distinguished the single sheet from highly decoupled few layered graphene structures obtained by epitaxy. Patterned micropillars of 20µm diameter were manipulated and micromechanically exfoliated in-situ to deposit < 10 nm thick discs in between pre-defined electrodes on 350 nm oxide. Focused Ion Beam was used to deposit metal contacts and to pattern the discs into 2 µm long and 80 - 250 nm wide ribbons with graphitic side-gates. Temperature dependent transport was performed through these gated nanoribbons and tunnelling of charges along a 1-D array of graphene quantum dots was observed and modelled. Furthermore, we have used electric force microscopy (EFM) to investigate the 2-D delocalization of residual as well as injected charges in sub-micron graphene islands. The induced surface charge density as a function of thickness was interpreted with a simple capacitive model. This EFM approach was used to characterize similar side-gated nanoribbons transistor devices with sub-100 nm ribbon width but tailored in monolayered graphene by FIB.