WO2002085778A1 - Procede de fabrication de nanostructures unidimensionnelles et nanostructures obtenues par ce procede - Google Patents

Procede de fabrication de nanostructures unidimensionnelles et nanostructures obtenues par ce procede Download PDF

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Marie D'angelo
Victor Aristov
Vincent Derycke
Fabrice Semond
Patrick Soukiassian
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/701—Organic molecular electronic devices

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing unidi al nanostructures as well as the nanostructures obtained by this method.
  • the invention allows, in particular, the manufacture of nanostructures having passivated or metallized bands.
  • the invention applies in particular to the field of nano-electronics.
  • the present invention solves the problem of manufacturing one-dimensional nanostructures having a predefined electrical state, namely an electrically insulating or conductive state.
  • the invention aims to manufacture one-dimensional insulating or conductive structures, of great length and width on the nanometric scale.
  • the subject of the present invention is a process for manufacturing one-dimensional nanostructures, this process being characterized in that:
  • a material capable of being adsorbed selectively between the atomic lines is deposited on this surface, without being adsorbed on these atomic lines, the deposition of this material thus generating, between the atomic lines, bands of this material.
  • the atomic lines are made of silicon.
  • the silicon carbide has a cubic structure and the surface is a surface of the substrate of cubic silicon carbide.
  • the material is chosen so as to generate passivated bands.
  • the material can be hydrogen or oxygen or any other molecule making it possible to passivate the underlying surface, for example NO, N 2 0, N 2 , NH 3 and sulfur.
  • the material is chosen so as to generate electrically conductive strips.
  • the material is for example a metal.
  • This metal is for example silver or any other metal, for example gold or copper or a metal chosen from the group of alkali metals or transition metals.
  • the material is formed from organic molecules or from inorganic molecules.
  • the present invention also relates to the nanostructures obtained by the process which is the subject of the invention.
  • this surface of symmetry 3x2 is transformed until it presents an organization on the atomic scale (reconstruction) of symmetry c (4x2).
  • This surface is then exposed to ultra pure molecular hydrogen at low pressure (about 10 "8 hPa), while maintaining the surface at room temperature (about 20 ° C).
  • Atomic lines 4 do not react with hydrogen while the underlying surface is passivated.
  • the hydrogen is therefore adsorbed only between the atomic lines and thus generates, between these atomic lines, passivated bands 6.
  • the latter are metallic strips of nanometric width which are produced on the surface.
  • the first step in the manufacture of these metallic "nanostrips” consists in preparing and calibrating a source of potassium.
  • the procedure to follow is given below.
  • a source of potassium atoms is placed in an ultra-vacuum chamber and very precisely degassed.
  • the source is considered to be sufficiently degassed when the increase in pressure in the chamber during the time necessary to evaporate a monolayer of potassium does not exceed 2 ⁇ 10 ⁇ 9 Pa.
  • the potassium source must then be calibrated. Any method for determining the rate of evaporation of potassium atoms can be used.
  • Cubic SiC entirely made up of silicon atoms presenting a type c reconstruction (4x2) and studying the evolution of the intensity of the XPS signal from the core level K3.
  • a diffraction plate corresponding perfectly to such a 2x3 surface corresponds to a coverage rate of 2/3 of monolayer.
  • the second step is the formation of atomic lines of silicon on the surface of SiC. On this subject, see document [1].
  • New anneals allow the density of these lines to be reduced in a controlled manner.
  • the third step is to deposit potassium atoms on this surface.
  • the procedure to follow is given below.
  • the SiC surface with the atomic lines of silicon is placed about 3 cm from the potassium source. Then potassium atoms are deposited on the surface of SiC. These potassium atoms are deposited preferentially between the atomic lines of silicon. The quantity of silicon to be deposited must correspond to the filling of the space between the lines.
  • This space between the lines corresponds to an order of type c (4x2).
  • the inventors demonstrated with the UPS / XPS technique as well as with the STM / STS technique that, when the surface is saturated with potassium, this order becomes 2x1 and takes on a metallic character. On the other hand, the silicon lines do not become metallic, even when the surface is saturated with potassium.
  • any adsorbate having the following two properties:
  • the adsorbate is selectively adsorbed between the silicon lines
  • the adsorbate causes the spreading of the space located between the lines (that is to say the metallization of the type c reconstruction (4x2) of cubic SiC).
  • the present invention is not limited to the use of hydrogen, oxygen or metals for the formation of nanobands between the atomic lines: materials made up of inorganic molecules, for example halogens, can be used
  • organic molecules for example polymers, including conductive polymers and organic semiconductor polymers (for example PCDTA or Thiols), benzene or pentacene molecules for example, and one-dimensional organic molecules, for example to make bridges or contacts.
  • polymers including conductive polymers and organic semiconductor polymers (for example PCDTA or Thiols), benzene or pentacene molecules for example, and one-dimensional organic molecules, for example to make bridges or contacts.
  • the same process is used, for example, as for oxygen; the surface is exposed to molecules under vacuum or vaporized (for example in the case of Br, S and I).

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Abstract

Procédé de fabrication de nanostructures unidimensionnelles et nanostructures obtenues par ce procédé. Selon l'invention, on forme des lignes atomiques parallèles (4), à la surface d'un substrat (2) de carbure de silicium, et on dépose sur cette surface une matière capable d'être adsorbée de façon sélective entre les lignes atomiques, sans l'être sur ces lignes atomiques, le dépôt de cette matière engendrant ainsi, entre les lignes atomiques, des bandes (6, 8) de cette matière. L'invention s'applique notamment à la fabrication de nanostructures possédant des bandes passivées ou métallisées.

Description

PROCEDE DE FABRICATION DE NANOSTRUCTURES UNIDIMENSIONNELLES ET NANOSTRUCTURES OBTENUES PAR CE
PROCEDE
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé de fabrication de nanostructures unidi ensionnelles ainsi que les nanostructures obtenues par ce procédé.
L'invention permet, en particulier, la fabrication de nanostructures possédant des bandes passivées ou métallisées.
L'invention s'applique notamment au domaine de la nano-électronique.
Etat de la technique antérieure
On connaît déjà un procédé de fabrication de nanostructures unidimensionnelles, également appelées "lignes atomiques", à la surface d'un substrat de carbure de silicium (SiC) , par le document suivant, auquel on se référera :
[1] : Demande internationale n°PCT/FR 97/02298, n° de publication WO 98/27578, intitulée "Fils atomiques de grande longueur et de grande stabilité, procédé de fabrication de ces fils, application en nano- électronique", invention de G. Dujardin, A. Mayne, F. Semond et P. Soukiassan.
On se référera aussi au document suivant : [2] : P. Soukiassian et al., Phys . Rev. Lett. 79,
2498 (1997). Exposé de 1 ' invention
La présente invention résout le problème de la fabrication de nanostructures unidimensionnelles ayant un état électrique prédéfini, à savoir un état électriquement isolant ou conducteur.
En particulier, l'invention vise à fabriquer des structures unidimensionnelles isolantes ou conductrices, de grande longueur et de largeur à l'échelle nanométrique .
La longueur de ces structures, ou bandes, est susceptible de dépasser 1 micromètre et leur largeur peut être ajustée dans une gamme allant de 1 nm à 10 nm. De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication de nanostructures unidimensionnelles, ce procédé étant caractérisé en ce que :
- on forme des lignes atomiques parallèles, à la surface d'un substrat de carbure de silicium, et
- on dépose sur cette surface une matière capable d'être adsorbée de façon sélective entre les lignes atomiques, sans l'être sur ces lignes atomiques, le dépôt de cette matière engendrant ainsi, entre les lignes atomiques, des bandes de cette matière.
De préférence, les lignes atomiques sont en silicium.
Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé objet de l'invention, le carbure de silicium a une structure cubique et la surface est une surface du substrat de carbure de silicium cubique. Selon un premier mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention, la matière est choisie de façon à engendrer des bandes passivées.
Dans ce cas, la matière peut être l'hydrogène ou l'oxygène ou toute autre molécule permettant de passiver la surface sous-jacente, par exemple NO, N20, N2, NH3 et le soufre.
Selon un deuxième mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention, la matière est choisie de façon à engendrer des bandes électriquement conductrices.
Dans ce cas, la matière est par exemple un métal.
Ce métal est par exemple l'argent ou tout autre métal, par exemple l'or ou le cuivre ou un métal choisi dans le groupe des métaux alcalins ou des métaux de transition.
Selon d'autres modes de mise en oeuvre particuliers du procédé objet de l'invention, la matière est formée de molécules organiques ou de molécules inorganiques.
La présente invention concerne aussi les nanostructures obtenues par le procédé objet de 1 ' invention.
Brève description du dessin
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description de modes de réalisation particuliers donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence à la figure unique annexée qui est une vue en coupe schématique de nanostructures obtenues conformément à 1 ' invention.
Exposé détaillé de modes de réalisation particuliers On donne maintenant un premier exemple du procédé objet de l'invention, permettant de fabriquer des nanostructures unidimensionnelles passivées.
Pour fabriquer de telles nanostructures, on utilise un substrat de silicium 2 (figure) que l'on a traité de façon que sa surface soit une surface c(4x2) sur laquelle reposent des lignes atomiques de silicium auto-organisées 4 qui sont parallèles.
On se référera au document [1] où l'on explique comment obtenir des chaînes rectilignes de dimères Si-Si (lignes atomiques) à la surface d'un substrat monocristallin de SiC en phase cubique β-SiC (100) que 1 ' on a transformé pour que sa surface soit terminée 3x2 puis que 1 ' on a convenablement recuit.
Alors, par des recuits thermiques à 1100°C, on transforme cette surface de symétrie 3x2 jusqu'à ce qu'elle présente une organisation à l'échelle atomique (reconstruction) de symétrie c(4x2).
On expose ensuite cette surface à de l'hydrogène moléculaire ultra pur à basse pression (environ 10"8 hPa) , tout en maintenant la surface à température ambiante (environ 20°C) .
On précise que la surface est exposée à l'hydrogène moléculaire jusqu'à saturation (supérieure à 50L) . Cette saturation peut être contrôlée par STM c'est-à-dire par microscopie à effet tunnel (en anglais
"scanning tunneling microscopy" ) . Les lignes atomiques 4 ne réagissent pas avec l'hydrogène tandis que la surface sous-jacente est passivée .
L'hydrogène est donc adsorbé uniquement entre les lignes atomiques et engendre ainsi, entre ces lignes atomiques, des bandes passivées 6.
Il convient de noter que 1 ' on peut utiliser l'oxygène au lieu de l'hydrogène.
On donne maintenant un deuxième exemple du procédé objet de l'invention, permettant de fabriquer des nanostructures unidimensionnelles métallisées.
Ces dernières sont des bandes métalliques de largeur nanométriques qui sont réalisées sur la surface
(100) d'un substrat de SiC cubique. On utilise la propriété d'auto-organisation de cette surface pour former des lignes atomiques de silicium reposant sur un plan complet d'atomes de silicium. La distance entre ces lignes peut être modulée par des recuits précis du substrat de SiC en ultravide.
On dépose ensuite des atomes de potassium sur cette surface. Le potassium métallisé l'espace compris entre les lignes de silicium sans métalliser les lignes elles-mêmes. On forme ainsi des bandes métalliques de largeur ajustable, qui sont séparées par des lignes atomiques .
Plus précisément, la première étape de la fabrication de ces "nanobandes" métalliques consiste à préparer et à calibrer une source de potassium. La procédure à suivre est donnée ci-après. Une source d'atomes de potassium est placée dans une chambre à ultravide et dégazée de façon très précise. La source est considérée comme suffisamment dégazée quand l'augmentation de pression dans la chambre durant le temps nécessaire pour évaporer une monocouche de potassium ne dépasse pas 2 x 10"9 Pa .
La source de potassium doit ensuite être calibrée. Toute méthode permettant de déterminer la vitesse d' évaporation des atomes de potassium peut être utilisée.
Par exemple, on peut préparer une surface (100) de
SiC cubique entièrement constituée d'atomes de silicium présentant une reconstruction de type c(4x2) et étudier l'évolution de l'intensité du signal XPS issu du niveau de coeur K3 .
Cette intensité augmente puis se sature lorsque la quantité de potassium est exactement égale à une monocouche.
On peut également étudier en LEED (diffraction d'électrons lents) la transformation de cette surface c(4x2) en une surface 2x3 puis en une surface 2x1.
Un cliché de diffraction correspondant parfaitement à une telle surface 2x3 correspond à un taux de couverture de 2/3 de monocouche. La deuxième étape est la formation de lignes atomiques de silicium à la surface du SiC. A ce sujet, on se reportera au document [1] .
La procédure à suivre est donnée ci-après. a) L'échantillon de carbure de silicium cubique (3C-SiC) est placé dans une enceinte, dans laquelle règne une pression inférieure à 5 x 10~10 hPa, et chauffé par passage d'un courant directement dans cet échantillon, pendant plusieurs heures à 650 °C puis plusieurs fois à 1100°C pendant une minute. b) A l'aide d'une source de silicium chauffée à 1300°C, on dépose sur la surface (100) du Sic cubique, plusieurs monocouches de silicium. c) Par des recuits thermiques, on évapore de façon contrôlée une partie du silicium déposé jusqu'à ce que la surface présente une organisation à 1 ' échelle atomique (reconstruction) de symétrie 3x2. Cette symétrie de la surface peut être contrôlée par diffraction d'électrons. d) Cette surface 3x2 est constituée de lignes atomiques de silicium extrêmement denses, reposant sur une surface entièrement composée d'atomes de silicium.
De nouveaux recuits permettent de diminuer la densité de ces lignes de façon contrôlée.
La troisième étape consiste à déposer sur cette surface des atomes de potassium. La procédure à suivre est donnée ci-après.
La surface de SiC comportant les lignes atomiques de silicium est placée à environ 3 cm de la source de potassium. On dépose alors des atomes de potassium sur la surface de SiC. Ces atomes de potassium se déposent préférentiellement entre les lignes atomiques de silicium. La quantité de silicium à déposer doit correspondre au remplissage de l'espace situé entre les lignes .
Cet espace situé entre les lignes correspond à un ordre de type c(4x2). Les inventeurs ont montré avec la technique UPS/XPS ainsi qu'avec la technique STM/STS que, lorsque la surface est saturée de potassium, cet ordre devient 2x1 et prend un caractère métallique. En revanche, les lignes de silicium ne deviennent pas métalliques, même lorsque la surface est saturée de potassium.
Ainsi, même si la quantité de potassium déposée dépasse légèrement la quantité exactement souhaitée, le résultat reste acquis : les espaces situés entre les lignes forment des bandes métalliques 8 (figure) qui sont séparées par des lignes atomiques non-métalliques.
Il convient de noter que l'utilisation d'autres métaux alcalins et, plus généralement, d'autres métaux, par exemple l'argent, conduisent au même résultat.
De façon générale, la fabrication des nanobandes métalliques peut être réalisée avec tout adsorbat ayant les deux propriétés suivantes :
- l' adsorbat est adsorbé de façon sélective entre les lignes de silicium, et
- l' adsorbat entraîne la étallisation de l'espace situé entre les lignes (c'est-à-dire la métallisation de la reconstruction de type c(4x2) du SiC cubique).
La présente invention n'est pas limitée à l'utilisation d'hydrogène, d'oxygène ou de métaux pour la formation des nanobandes entre les lignes atomiques : on peut utiliser des matières constituées de molécules inorganiques, par exemple des halogènes
(F, Cl, Br, I) ou du soufre, ou de molécules organiques, par exemple des polymères, y compris les polymères conducteurs et les polymères semiconducteurs organiques (par exemple le PCDTA ou les Thiols) , des molécules de type benzène ou pentacène par exemple, et des molécules organiques unidimensionnelles, par exemple pour faire des ponts ou des contacts .
Pour le dépôt des molécules inorganiques entre les lignes atomiques, on utilise par exemple le même procédé que pour 1 ' oxygène ; on expose la surface aux molécules sous vide ou on vaporise (par exemple dans le cas de Br, S et I) .
Pour le dépôt des molécules organiques, on utilise par exemple un dépôt par évaporation sous vide.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication de nanostructures unidimensionnelles, ce procédé étant caractérisé en ce que :
- on forme des lignes atomiques parallèles (4) , à la surface d'un substrat (2) de carbure de silicium, et
- on dépose sur cette surface une matière capable d'être adsorbee de façon sélective entre les lignes atomiques, sans l'être sur ces lignes atomiques, le dépôt de cette matière engendrant ainsi, entre les lignes atomiques, des bandes (6, 8) de cette matière.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les lignes atomiques (4) sont en silicium.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le carbure de silicium a une structure cubique et la surface est une surface (100) du substrat de carbure de silicium cubique.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la matière est choisie de façon à engendrer des bandes passivées (6) .
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la matière est l'hydrogène.
6. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la matière est l'oxygène ou toute autre molécule permettant de passiver la surface sous-jacente, par exemple NO, N20, N , NH3 et le soufre.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la matière est choisie de façon à engendrer des bandes électriquement conductrices (8) .
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la matière est un métal.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le métal est choisi dans le groupe des métaux alcalins ou des métaux de transition.
10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le métal est l'argent ou l'or ou le cuivre.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la matière est formée de molécules organiques, par exemple des polymères, des molécules de type benzène ou pentacène et des molécules organiques unidimensionnelles.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la matière est formée de molécules inorganiques, par exemple des halogènes ou du soufre.
13. Nanostructures obtenues par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
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