Vers des nano-électrodes sur semi-conducteurs grand gap. Graphène/SiC, silicène/graphène/SiC et Au/AlN/SiC. Epitaxie et caractérisation NC-AFM/KPFM

Towards nano-pads on large gap semi-conductors. Graphene/SiC, Silicene/SiC, Au/AlN/SiC. Epitaxial growth and NC-AFM/KPFM characterisation

• Auteur / Autrice : Hamza Ichou
• Direction : David Martrou, Christian Joachim
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 30/09/2022
• 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-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Brigitte Caussat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Lagoute, Abdelkarim Ouerghi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrodes

Électronique moléculaire

Graphène

Mots clés libres

Epitaxiale graphène

Or sur AlN

Electronique moléculaire

Silicène

Croissance EJM

NC-AFM KPFM

Epitaxial graphene on SiC

Gold on AlN

Molecular electronic

Silicene

MBE growth

NC-AFM KPFM

Résumé

L'objectif ultime de ce travail est l'élaboration puis la caractérisation de nouveaux matériaux utilisés pour réaliser des nanopads destinés à l'électronique moléculaire. Ces nanopads doivent répondre à des critères stricts pour stabiliser, sans déformation et avec une précision atomique, la molécule dans la jonction nanopad-surface-nanopad. En combinant la microscopie à force atomique sans contact (nc-AFM) et la microscopie à sonde Kelvin (KPFM) dans un environnement ultravide (UHV), nous avons mesuré la hauteur et le travail de sortie d’une monocouche de graphène sur la face Si du 6H-SiC (0001). Ces mesures nous ont permis d’identifier trois structures de graphène : La ZLG (couche tampon), la QFMLG et la BLG. Contrairement aux autres méthodes de spectroscopie, le nc-AFM couplé à une sonde KPFM nous a permis ensuite d'identifier directement des nano-îlots de graphène aux premiers stades de nucléation, élaborée par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Le système graphène/SiC/graphène est prometteur pour la réalisation des jonctions en géométrie planaire. Dans la deuxième partie de cette thèse nous avons exploré la croissance de nanopads en silicène dans une chambre d’épitaxie par jets moléculaires (EJM). Nous avons démontré que la croissance du silicium sur graphène n'est pas bidimensionnelle et conduit à la formation des amas 3D ayant des branches fractales. Enfin, nous avons déposé par EJM des nano-îlots d'or sur un film mince d'AlN. Ce système est très prometteur et répond à un grand nombre de critères pour réaliser un dispositif à une seule molécule. Les nano-îlots d'or sont d'épaisseur monoatomique et peuvent être chargés électriquement avec la pointe AFM de manière contrôlée. Il reste alors, à titre de perspective, à synthétiser des nano-rubans moléculaires de graphène sur cette surface pour préparer la mesure de leur conductance à plat.

The ultimate goal of this work is the elaboration and characterization of new materials used to realize nanopads for molecular electronics. These nanopads must meet strict criteria to stabilize, without deformation and with atomic precision, the molecule on the nanopad-surface-nanopad junction. By combining non-contact atomic force microscopy (nc-AFM) and Kelvin probe microscopy (KPFM) in ultra high vacuum environment (UHV), we directly measure the height and work function of graphene monolayer on the Si-face of 6H-SiC(0001) with a precision that allows us to differentiate three different graphene structures : Zero layer graphene (ZLG), Quasi free-standing monolayer graphene (QFMLG) and Bilayer graphene (BLG). Unlike any other available technique, the local nc-AFM/KPFM dual probe makes it possible to directly identify the nature of nanometer-sized graphene islands that constitute the early nuclei of graphene monolayer grown on 6H-SiC(0001) by chemical vapour deposition. In the second part of this thesis we explored the growth of silicon nanopads by molecular beam epitaxy. We have shown that the growth of silicon on graphene is not two-dimensional and leads to the formation of 3D clusters with fractal branches. Finally, we epitaxially deposited gold nanoislands on an AlN(0001) thin film. This system is very promising and meets many of the criteria required for single molecule devices. The gold islands are mono-atomic and can be electrically charged with the AFM tip. It remains then to synthesize graphene nano-ribbons (GNRs) on this surface to prepare the conductance measurement.