Nanoorganization and device fabrication (carbone nanotubes) by vertical porous anodic alumina templates

• Auteur / Autrice : Bernd Marquardt
• Direction : Marc Chatelet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotubes

Dépôt électrolytique

Essais

Anodisation

Alumine

Mots clés libres

Alumine anodique poreuse

Organisation nanometrique

Résumé

Cette thèse est dédiée à l’étude des membranes verticales d’Alumine Anodique Poreuse (AAP) et leur application pour l’organisation nanométrique et la fabrication de composants. L’objectif principal a été de développer une méthode d’anodisation d’Al permettant une fabrication réproductible des AAPs qui rend possible la réalisation des nanostructures poreuses complexes et l’organisation de nano-matériaux. La fabrication des AAPs, et donc l’anodisation, a été étudiée profondément à partir de différents substrats sur lesquels une couche d’Al a été déposée au départ. Nous avons pu contrôler précisément la vitesse de fabrication d’AAP. Des AAPs ont été fabriquées utilisant de très forts acides à basse température, ce qui a permis à réaliser des diamètres de pores d’environ 4. 2 nm et des densités de pores jusqu’à 7. 2*1011cm-². En plus, une méthode unique a été développée pour le traitement de la couche barrière au fond des pores appliquant une décroissance exponentielle de la tension d’anodisation. Cela permet le contrôle et la variation de l’épaisseur de la couche barrière et, en même temps, le contrôle de l’uniformité et de la distribution de cette épaisseur. En se basant sur les résultats fondamentaux concernant la fabrication des AAPs, nous avons pu établir une technique d’électrodéposition dans des AAPs qui permet le dépôt de particules de Ni d’une taille variable (d’environ 10 nm à 2. 5 m) à différentes densités souhaitées dans une gamme de 2. 3 109 cm-2 to 7. 1 x 1010 cm-2 dans des AAPs avec un diamètre de pores de 40 nm. La croissance des NTCs a été étudiée dans des AAPs aussi bien que sur des surfaces structurées par des AAPs. La variabilité de la densité des particules de catalyseur implique la possibilité de la variation de la densité des NTC. Cela nous a permis la réalisation des échantillons d’émission de champ à partir des NTCs, avec lesquelles on a pu obtenir une émission de champ de 1 mA/cm². Qui plus est, nous avons démontré la faisabilité d’une structure multi-couche poreuse à partir d’une gravure anisotrope utilisant des AAPs comme masque de gravure. Cela pourrait permettre d’envisager de nouveaux composants “bottom-up” comme un transistor vertical à base des NTCs ou des nanofils de Si.

This thesis is devoted to the study of vertical Pourous Anodic Alumina templates (PAA) and the application thereof for nanoorganization and device fabrication. Our principle objective was to develop an anodization method of Al that allows a reproducible fabrication of PAA offering the possibility to create complex porous nanostructures as well as the organization of nanomaterials. The PAA fabrication, i. E. The anodization process, has been studied in detail on various substrates on which initially an Al layer has been deposited. We have been able to control the fabrication rate of PAA precisely. PAAs have been fabricated using highly acidic anodization acids at low temperature, by which pore diameters down to 4. 2 nm and pore densities up to 7. 2*1011cm-² could be obtained. Further, we have developed a unique approach to control the barrier layer at the pore bottom of PAA applying an exponential anodization voltage decrease. This allows to vary and to control precisely the thickness of the barrier layer including the possibility to control the uniformity and distribution of the barrier layer thickness. Based on the fundamental control of PAA fabrication, we have been able to develop an electrodeposition technique inside PAA that allowed us to deposit Ni-particles of adjustable size (from about 10 nm to 2. 5 m) at predetermined deposition densities in the range of 2. 3 109 cm-2 to 7. 1 x 1010 cm-2 inside PAA with a pore diameter of 40 nm. The CNT growth was studied inside PAA and on PAA patterned surfaces. The variability of the deposited growth catalyst particles allowed us to vary the density of grown CNTs. This was the basis for the fabrication of CNT field emission samples, by which field emission of 1 mA/cm² has been realized. Last but not least, we have demonstrated that PAA can be used as etching mask for multilayer structures allowing to create nanoporous multilayers by anisotropic etching. This might open the way for new bottom-up devices like a vertical transistor based on CNTs or Si-nanowires.