Caractérisation et intégration fonctionnelle de nanohélices inorganiques et métalliques : vers un nanosystème électromécanique

Characterization and functional integration of hybrid inorganic/metallic nanohelices : towards a nanoelectromechanical system

• Auteur / Autrice : Naima Sabrina Habtoun
• Direction : Christian Bergaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanosystèmes
• Date : Soutenance le 26/10/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Philippe Menini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Bergaud, Marie-Helene Delville, Isabelle Dufour, Reiko Oda
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Alquier, Lionel Buchaillot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanosystèmes électromécaniques

Nanohélices

Microscopie à force atomique

Mots clés libres

Capteur piézorésistif

Microscopie à Force Atomique

AFM

Nanostructures hélicoïdales

Nanohélices

Nanosystème Électromécanique

NEMS

Piezoresistive sensor

Atomic Force Microscopy

Helical Nanostructures

Nanohelix

Nanoelectromechanical System

Résumé

Les nanohélices sont des nanostructures hélicoïdales flexibles, avec un excellent rapport surface sur volume. Ces travaux étudient l’intégration dans des NEMS (nanosystèmes électromécaniques) de nanohélices de silice fabriquées par auto-assemblage en solution suivi d’un dépôt sol-gel. Elles ont été alignées par assemblage capillaire sur des substrats microstructurés par des tranchées et des électrodes, respectivement pour des caractérisations mécaniques et électriques. Elles ont ensuite été rendues conductrices par un dépôt FIB (Focused ion beam), qui a permis de les métalliser et de les fixer en une seule étape sans lithographie. Des mesures mécaniques par AFM(Microscopie à Force Atomique) ont caractérisé leurs larges souplesse (0,1 N/m) et domaine linéaire. Ces propriétés, contrôlables par leur longueur et leur métallisation, ont été corroborées par des simulations en éléments finis. Des mesures électriques par Microscope à Effet Tunnel-4 pointes ont mis en évidence un comportement ohmique et suggèrent un phénomène de piezorésistance métallique. Enfin, un résonateur à base de nanohélice unique a été conçu et fabriqué, afin d’étudier les propriétés dynamiques des nanohélices. Par la suite, l’intégration sur des substrats souples afin de réaliser des jauges de contrainte pour la biologie est envisagée.

Nanohelices are helical nanostructures exhibiting great flexibility and surface/volume ratio. This work studies the integration intoNEMSof silica nanohelices fabricated by auto-assembly in solution and sol-gel deposition.We used a capillary assembly method to align them onmicrostructured substrates with trenches and electrodes for subsequent mechanical and electrical characterization. They were then rendered conductive by a FIB (Focused Ion Beam) deposition which allowed metallization and clamping in one lithography-free step. AFM (Atomic Force Microscope) mechanical measurements demonstrated their flexibility (0.1 N/m) and large linear domain. Their length and metallization allow tuning of these properties, which were confirmed by FEM simulation. Electrical measurements by the means of a 4-probe- Scanning Tunneling Microscope exhibited an ohmic behavior and hinted at a metallic piezoresistance effect. Finally, a resonator based on a single nanohelix was designed and fabricated. Its characterization should allow us to measure the dynamic electromechanical properties of the nanostructures. A new project will study their integration on soft substrates for strain gauges for biology.