Etude et applications de nano-structures élaborées par faisceau d'ions focalisés

Study and applications of nano-structures elaborated by focused ion beam

• Auteur / Autrice : Alan Reguer
• Direction : Hervé Dallaporta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofils

Matériaux nanostructurés

Microscopie électronique

Bombardement ionique

Analyse par faisceau d'ions

Résumé

La technologie des faisceaux d’ions focalisés (FIB-Focused Ion Beam), apparue au début des années 1970 suite au développement des sources d’ions à métal liquide (L. M. I. S), est aujourd’hui incontournable dans l’univers des nano-technologies. Une colonne FIB permet de focaliser un faisceau d’ions, avec un diamètre final de quelques nanomètres, qui peut être utilisé pour élaborer et pour étudier des nano-structures. Associée à un module d’injection de gaz (GIS), cette technologie dispose alors de nouvelles fonctionnalités telles que la gravure accélérée et sélective et le dépôt CVD assisté par faisceau de particules. Ce travail de thèse porte sur la mise en oeuvre de la technique de dépôt de matière assisté par faisceau d’ions (Focused Ion Beam Induced Deposition, FIBID) pour l’élaboration de nano-structures. La technique FIBID fait intervenir des composés sources appelées précurseurs qui sont injectés à l’état gazeux dans une chambre sous vide. L’adsorption des molécules gazeuses sur la surface du substrat, puis leurs décompositions sous l’impact du faisceau d’ions, conduit à un dépôt localisé autour de la sonde ionique. La réalisation par FIBID de différentes nano-structures et leur caractérisation (morphologie, composition chimique, microstructure et propriétés électriques) a permis de mieux comprendre le processus de dépôt et ainsi de dégager quelques applications innovantes dans le domaine émergent et compétitif des nano-dispositifs. A partir de nanofils conducteurs élaborés par FIBID, nous avons développé une plate-forme d’observation permettant d’étudier par microscopie électronique (MEB-MET) le comportement dynamique d’un matériau soumis à des variations de température. A partir des images de microscopie électronique, il est possible d’obtenir une cartographie 2D de la température avec une précision spatiale nanométrique. Nous avons aussi utilisé ces nanofils conducteurs pour initier la croissance de nanofils de silicium par le mécanisme de synthèse Vapeur-Liquide-Solide (VLS) en utilisant l’or ou le gallium comme catalyseur. Nous avons observé en direct par microscopie électronique la formation des nanofils de silicium et ainsi mis en évidence deux modes de croissance différents en fonction du catalyseur utilisé.

Focused ion beam (FIB), developed in the early 1970’s after the development of Liquid Metal Ion Source (L. M. I. S), has recently emerged as an important technology to elaborate and to study nanostructures and nanostructure-based devices. Ions beam are now fairly routinely focused to dimensions in the nanometer range. Associated with a gas injection system (GIS), FIB is used for selective etching and deposition processes. This thesis work deals with the study of nanostructures elaborated by FIBID (Focused Ion Beam Induced Deposition). FIBID uses ion energy to initiate localized chemical vapor deposition (CVD) through the decomposition of precursor molecules adsorbed on the surface. FIBID is a maskless direct writing technique that allows the deposition of sub-micronic patterns. The fabrication by FIBID of different nano-structures and their characterization (morphology, chemical composition, microstructure and electrical properties) has allowed a better understanding of the deposition process. These results have opened a wide range of applications for the FIBID technique in the field of nano electro-mechanical systems (NEMS). We present a method that allows in situ localized heating simultaneously with real time scanning and transmission electron microscopy studies. The localized heating is induced by flowing current through conductive nanowire deposited by FIBID on a 50nm thick Si3N4 membrane. Gold nanoparticles are used as thermometers for probing the local temperature of the heated Si3N4 membrane and to determine the temperature profile around the nanowire by applying a finite element analysis. These conductive nanowires are also used to initiate the synthesis of silicon nanowires by VLS (Vapor-Liquid-Solid) mechanism using Au or Ga as catalyst solvent. We have followed, in a scanning electron microscopy (SEM), the nucleation and the growth of Si NWs and demonstrate that two different growth mechanisms are obtained depending on the catalyst solvent (Au or Ga).