Confinement et transfert de charges dans les systèmes îlots Au/AlN et îlots graphène/SiC

Charge confinement and transfert in Au-AlN and graphene island-SiC systems

• Auteur / Autrice : Mohanad Alchaar
• Direction : Erik Dujardin, David Martrou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano-physique, nano-composants, nano-mesures
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotechnologie

Microscopie à force atomique

Nitrure d'aluminium

Mots clés libres

Nitrure d'aluminium

Nano-îlots métalliques

Transfert de charges électriques

Graphène

Microscopie à force atomique en mode non contact

Microscopie à sonde Kelvin

Epitaxie par jets moléculaire

Aluminum nitride

Metallic nano-islands

Electric charge transfer

Graphene

Non-contact atomic force microscopy

Kelvin probe microscopy

Molecular beam epitaxy

Résumé

L'étude du confinement et du transfert de charges au sein de nano-objets métalliques déposés sur un substrat isolant constitue un enjeu majeur d'un point de vue scientifique et technologique. Un tel système pourrait servir de réservoir d'électrons en vue d'étudier le transfert dans un fil moléculaire. Durant cette thèse, la technique utilisée est la microscopie à force atomique en mode non contact (NC-AFM) fonctionnant sous ultra vide (UHV) et couplée à la sonde de Kelvin (KPFM), permettant la mesure et le transfert des charges électriques. Le substrat isolant utilisé dans cette thèse est le nitrure d'aluminium AlN(0001) élaboré par épitaxie par jets moléculaires (EJM). Une première étude de croissance de 4 métaux (Mg, In, Ag et Au) par EJM a mis en évidence l'importance primordiale de la surface AlN(0001) sur les modes de croissance. Cette étude a permis de montrer que seul l'or déposé sur la surface AlN(0001) reconstruite (2×2)-Nad donnait lieu à une croissance bidimensionnelle (2D) avec formation de nano-îlots de une monocouche d'épaisseur. L'analyse d'images NC-AFM à résolution atomique obtenues à 5K, couplée à des calculs DFT montre que la stabilisation des nano-îlots d'or est due à la formation de liaison chimique entre l'or et la surface AlN(0001). Ces nano-îlots d'or 2D sur AlN(0001) ont pu être chargé positivement ou négativement lors d'expériences NC-AFM : la signature caractéristique de la charge est observée lors de spectroscopies DELTA f(V), avec le décalage du potentiel CPD lié à la charge injectée. Le suivi temporel du potentiel Kelvin sur un îlot chargé permet de mesurer un temps de décroissance de plusieurs jours, signe que le substrat AlN est un très bon isolant. Afin de comprendre le mécanisme de charge de ces îlots métalliques par NC-AFM, ces expériences de charges ont été reproduites sur des nanocristaux d'or de 20 nm d'épaisseur déposés sur une couche isolante de SiO2 thermique. Un modèle analytique couplé à des simulations numériques a permis de montrer que l'injection de charge se fait par émission de champ entre la pointe et l'îlot métallique. Ces calculs montrent qu'il est possible de contrôler à l'électron prêt la quantité de charge injectée dans un îlot métallique. La dernière partie de cette thèse est consacrée à la mesure par NC-AFM/KPFM de la hauteur de trois types de graphène (ZLG, EMLG et QFMLG) et deux îlots de graphène. L'étude est faite sur deux types d'échantillons : des nano-îlots de graphène élaborés par CVD sur un substrat de 6H-SiC(0001) et des couches de graphène obtenues par sublimation à haute température de 6H-SiC(0001), avec un taux de couverture d'environ une demi monocouche. L'analyse des images NC-AFM a permis de déterminer la hauteur de la couche tampon (ZLG) égale à 2.62 Å, de la couche de graphène épitaxiée sur la couche tampon (EMLG), égale à 4.09 Å, ainsi que d'une bicouche de graphène égale à 6.86 Å. La hauteur d'un îlot de graphène sur SiC est de 6.28 ± 0.52 Å et un îlot de graphène sur ZLG est caractérisé par une hauteur de 3.69 ± 0.11 Å.

The study of confinement and charge transfer within metallic nano-objects deposited on an insulating substrate is a major challenge from a scientific and technological viewpoint. Such a system could serve as a reservoir of electrons to study the transfer in a molecular wire. During this thesis, the technique used is non-contact atomic force microscopy (NC-AFM) connected under ultra-high vacuum (UHV) and coupled to the Kelvin probe (KPFM), allowing the measurement and transfer of electric charges. The insulating substrate used in this thesis is aluminum nitride AlN (0001) prepared by molecular beam epitaxy (MBE). A first growth study of four metals (Mg, In, Ag and Au) by MBE has highlighted the fundamental importance of the AIN (0001) surface on the growth modes. This study showed that only the gold deposited on the AlN (0001) (2×2)-Nad reconstructed surface gave rise to two-dimensional (2D) growth with the formation of nano-islands a thick monolayer. The analysis of NC-AFM images at atomic resolution obtained at 5K, coupled with DFT calculations, shows that the stabilization of the gold nano-islands are due to the formation of a chemical bond between the gold and the AlN surface (0001). These 2D gold nano-islands on AlN (0001) could have been positively or negatively charged during NC-AFM experiments: the characteristic signature of the charge is observed during DELTA f(V) spectroscopies, with the offset of the CPD potential linked to the injected load. Time tracking of the Kelvin potential on a charged island makes it possible to measure a decay time of several days, a sign that the AlN substrate is a very good insulator. In order to understand the charge mechanism of these metallic islands by NC-AFM, these charge experiments were reproduced on 20 nm thick gold nanocrystals deposited on an insulating layer of thermal SiO2. An analytical model coupled with numerical simulations made it possible to show that the charge injection takes place by field emission between the tip and the metallic island. These calculations show that it is possible to control with ready electron the amount of charge injected into a metallic island. The last part of this thesis is devoted to the measurement by NC-AFM / KPFM of the height of three types of graphene (ZLG, EMLG and QFMLG) and two islands of graphene. The study is carried out on two types of samples: nano-islands of graphene grown by CVD on a 6H-SiC(0001) substrate and graphene layers obtained by high temperature sublimation of 6H-SiC(0001), with a half monolayer coverage rate. Analysis of the NC-AFM images made it possible to determine the height of the buffer layer (ZLG) equal to 2.62 Å, of the epitaxial layer graphene on the buffer layer (EMLG), equal to 4.09 Å, as well as a bilayer graphene equal to 6.86 Å. The height of an island of graphene on SiC is 6.28 ± 0.52 Å and an island of graphene on ZLG is characterized by a height of 3.69 ± 0.11 Å.