Manipulation de la charge de nano-particules individuelles sur surfaces isolantes – CHAMAN

Les processus de transfert d’électrons ou de trous à travers un film mince isolant, intercalé entre deux électrodes métalliques sont des processus importants pour la plupart des composants de la micro- ou de la nano-électronique. Ils sont en particulier à l’origine de performances limitées à cause des courants de fuite qui peuvent apparaître au niveau des défauts de la couche isolante – ce qui constitue un problème important pour l’industrie. Jusqu’à présent, l’étude de ces processus de transfert de charge (TC) a principalement été menée à l’échelle macroscopique ou à l’aide de la microscopie à force atomique (AFM) à l’atmosphère ambiante, avec des modes d’utilisation tels que la microscopie de capacité ou la microscopie/spectroscopie (EFM, EFS) de force électrostatique. Mais ces techniques ne permettent pas l’étude de ces TCs à l’échelle d’une charge élémentaire. Pour atteindre ce niveau de sensibilité, il est nécessaire de travailler (1) sous ultra haut vide, dans des conditions d’extrême propreté où l’échantillon est parfaitement maîtrisé, (2) sur des systèmes modèles constitués de nanoparticules (NP) métalliques tridimensionnelles ou d’ilots métalliques bidimensionnels (désignés indistinctement par NP dans la suite) supportés sur une couche mince isolante, (3) avec l’AFM en mode non contact (nc-AFM) et la nanosonde de Kelvin (KPFM), qui permetent à la fois d’injecter la charge dans le métal et de la quantifier par la mesure de l’interaction électrostatique entre la pointe et l’échantillon.
L’objectif de CHAMAN est d’étudier les processus de TC (1) entre une NP et un support conducteur à travers un film mince isolant d’épaisseur t (1 nm< t <100 nm) et (2) entre deux NP à travers le film isolant. Les processus de TC seront étudiés en fonction de l’épaisseur et de la structure du film (monocristallin, polycristallin, amorphe) et de la morphologie de la NP (taille et forme). Pour un film sans défauts les TC peuvent se produire par effet tunnel ou par émission de champ interne. Ils dépendent de la structure électronique du film isolant mais aussi des interfaces métal-isolant où, même en l’absence de défauts extrinsèques, des états spécifiques (eg des états induits dans le gap par le métal (MIGS) ou des états de surface de l’isolant) peuvent jouer un rôle. Mais les films minces isolants comportent en général des défauts (défauts ponctuels, dislocations, joints de grain, etc.) qui déterminent dans la plupart des cas les propriétés électriques. L’EFM/EFS et le KPFM seront utilisées pour contrôler et caractériser l’état de charge de NP individuelles à l’échelle de la charge élémentaire. L’influence des défauts du film isolant sera étudiée en choisissant les paramètres de croissance du métal de sorte à faire varier le nombre de défauts présents sous une NP. Un troisième type d’expérience impliquera des mesures de transport, durant lesquelles un courant électrique plutôt qu’un transfert de charge sera mesuré. Ceci sera fait soit par des mesures STM sur des films ultra minces, soit en utilisant le microscope à basse température à quatre pointes STM/nc-AFM.
Des modélisations et calculs théoriques seront développés pour accompagner les expériences et pour décrire et prédire les phénomènes de charge/décharge des NP. Ces calculs porteront en particulier sur deux systèmes : des ilots 2D d’Au sur AlN(0001) et des NP 3D de Pd sur MgO(001) pour lesquels des expériences préliminaires suggèrent que la charge peut être injectée de façon contrôlée. La meilleure compréhension issue de ces calculs sera mise à profit pour interpréter des expériences similaires menées sur des films de l’oxyde d’hafnium (HfO2) amorphes.
Les trois types de systèmes qui seront étudiés dans CHAMAN ont été choisis car ils présentent un large éventail de propriétés intéressantes d’un point de vue scientifique aussi bien que technologique.