Conception et élaboration de substrats semiconducteurs nanostructurés : nouvelles applications en nanosciences

Design and development of nanopatterned semiconductor substrates : new applications in nanosciences

• Auteur / Autrice : Eric Moyen
• Direction : Margrit Hanbücken, Jürgen Kirschner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la matière
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 2 en cotutelle avec Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université d'Aix-Marseille II. Faculté des sciences (1969-2011) - Centre de recherche en matière condensée et nanosciences (Marseille)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotechnologie

Matériaux poreux

Carbure de silicium

Résumé

De nouveaux substrats nano-structurés servant de gabarits pour la croissance et l’étude des nano-objets ont été développés. Les surfaces cristallines peuvent présenter naturellement des motifs réguliers (reconstructions, sur-structures, marches sur des surfaces vicinales. . . ) mais sur des échelles n’excédant pas quelques centaines de nm2. Or certaines mesures physiques et les éventuelles applications nécessitent de grandes aires. De nouvelles techniques ont été développées afin de créer des surfaces nano-structurées sur de larges échelles, en leur imposant un motif régulier par des procédés parallèles. Les substrats ainsi obtenus ont par la suite été fonctionnalisés et ont pu être utilisés dans diverses applications. Dans le cas des surfaces vicinales de Si(111), les propriétés cristallographiques intrinsèques du silicium permettent d’obtenir des motifs unidimensionnels sous forme de paquets de marches très réguliers, parallèles entre eux et équidistants. Ces gabarits sont fonctionnalisés par un dépôt d’or formant des réseaux unidimensionnels de plots de siliciures d’or de taille monodisperse, arrangés selon le motif pré-existant, et séparés par des terrasses riches silicium. Lors d’un dépôt de cobalt sur de telles surfaces, seuls les plots possèdent des propriétés magnétiques. Dans le cas du carbure de silicium (SiC), des réseaux de plusieurs cm2 de nano-canaux facettés, verticaux et de formes hexagonales sont crées par plusieurs méthodes. Le motif d’une membrane d’alumine poreuse est transféré par gravure ionique réactive sur la surface du SiC. Une érosion sous hydrogène à haute température donne aux pores leur forme facettée finale. Une technique alternative basée sur la réaction catalytique d’un réseau de plots de platine avec l’hydrogène permet d’obtenir des substrats de SiC poreux à de basses températures d’érosion. Ces réseaux ont des applications potentielles dans le magnétisme et la biologie.

New nano-structured substrates being used as templates for the growth and study of nano-objects were developed. Crystalline surfaces can naturally show regular patterns (reconstructions, superstructures, steps on vicinal surfaces. . . ) but on scales not exceeding a few hundreds of nm2. However some physical measurements and the possible applications require large surfaces. New techniques were developed in order to create nano-structured surfaces on large scales, by imposing regular pattern with parallel processes. The obtained substrates were subsequently functionalized and could be used in various applications. In the case of vicinal surfaces of Si(111), the intrinsic crystallographic properties of silicon make it possible to obtain unidimensional patterns in the form of very regular, parallels and equidistant stepbunches. These patterns are functionalized by a subsequent gold deposition, forming unidimensional networks of monodisperse gold silicides dots, arranged according to the preexistent pattern, and separated by Si-rich terraces. After a cobalt deposition on such surfaces, only the dots have magnetic properties. In the case of silicon carbide (SiC) substrates, networks of several cm2 of faceted, vertical and hexagonally shaped nano-channels are obtained. The pattern of a porous alumina membrane is transferred by reactive ion etching on the SiC surface. Hydrogen etching at high temperature leads to the final faceted shape. An alternative technique based on the catalytic reaction of a platinum dots network with hydrogen makes it possible to obtain substrates of porous SiC at lower temperatures of erosion. These networks have potential applications in magnetism and biology.