Descriptif
Auto-assemblage de nanodiélectriques moléculaires sur Ge et des matériaux III-V pour la prochaine génération de transistors.
Le silicium ne permet pas le développement de transistors à très haute mobilité et à haute fréquence. L’utilisation du germanium ou de semiconducteurs III-V comme canal de conduction est l’alternative la plus étudiée actuellement en raison de leurs excellentes propriétés électriques. Le principal obstacle au développement de transistors MOS III-V, dont les propriétés rivalisent ou dépassent celles des CMOS en Si, est que la couche d’isolation du germanium et des matériaux III-V n’est ni de bonne qualité ni thermodynamiquement stable contrairement aux propriétés exceptionnelles d’isolation et de passivation de SiO2 sur Si. Ainsi, le projet SAGe III-V, propose de concevoir, fabriquer et évaluer de nouveaux films minces ultra-isolants (high K), fabriqués à partir de monocouches auto-assemblées issues de composés organiques sur Ge et matériaux III-V afin de leur conférer ces propriétés viables permettant leur utilisation dans les prochaines générations de dispositifs.
Objectifs
L’objectif pour l’équipe Nanostructuration de l’ISEN Yncréa Méditerranée était de préparer des couches diélectriques à haute permittivité sur Ge à base de monocouches moléculaires auto-assemblées chimiquement greffées.
Partenaires du projet
Principaux enseignants-chercheurs impliqués
Directeur du projet
Lionel PATRONE
Enseignant-chercheur
Virginie GADENNE
Enseignante-chercheuse
Et aussi : G. DELAFOSSE
Plus de détails
Il s’agit ici de mettre en évidence le lien entre organisation et propriétés électriques (Projet ANR SAGe III-V). Les molécules, synthétisées au CEA/Saclay (B. Jousselme), possèdent une fonction de greffage thiol présentant un système pi-conjugué () au milieu de deux chaînes alkyles (), formant un système --. Deux systèmes pi-conjugués ont été choisis : l’un de type N (accepteur) à base de naphtalène, l’autre de type P (donneur) à base de terthiophène. Les SAMs de ces molécules devraient ainsi présenter un effet de résistance différentielle négative (RDN) obtenu par effet tunnel résonant à travers un niveau moléculaire du puits de potentiel représenté par le système pi-conjugué isolé du silicium et du contact métallique supérieur par la double jonction tunnel constituée par les deux chaînes alkyles. Ainsi, ces molécules ont été choisies par la différence de leurs niveaux moléculaires permettant de moduler la position du pic de RDN.
Concernant les SAMs sur or de ces molécules, les niveaux moléculaires sont positionnés asymétriquement par rapport au niveau de Fermi des électrodes : pour 3TSH qui est donneur de type P c’est la HOMO qui est plus proche du niveau de Fermi, pour NaPhSH qui est accepteur de type N c’est la LUMO. Ceci ajouté à l’asymétrie des contacts électriques (le contact est plus fort avec le substrat d’or sur lequel la molécule est ancrée) qui se traduit par une asymétrie du profil de potentiel à travers la molécule doit entraîner un redressement de courant à des polarités différentes pour les deux molécules.
Résultats obtenus
Les images et les mesures courant-tension réalisées par STM sur ces SAMs sur Au(111)/mica (Fig. 1) ont permis de mieux connaître l’organisation au sein de ces monocouches et d’en étudier localement le comportement électrique. Si une organisation à courte portée a pu être observée sur les SAMs de 3TSH suivant un arrangement √3x√3R30° typique des thiols sur Au(111), aucune organisation n’a pu être décelée sur les SAMs de NaPhSH. Cela peut être lié à son encombrement stérique plus important. La moins bonne organisation des SAMs de NaPhSH a été confirmée par spectroscopie infrarouge et par des mesures d’angle de contact de l’eau.
L’organisation et les propriétés électroniques des SAMs ont été déterminées grâce aux analyses réalisées par STM (Fig. 1) et qui ont été complétées par AFM conducteur à l’IEMN, et au sein de notre équipe de l’IM2NP à Marseille par spectroscopies UPS et IPES qui ont permis de mesurer des positions de la HOMO et de la LUMO respectivement (Fig. 2) pour la première fois dans l’équipe, ouvrant ainsi la voie à une méthodologie pour étudier avec succès les relations structures-propriétés électroniques des SAMs par la complémentarité entre STM et UPS/IPES.
Figure 1 : Image STM et schéma de la SAM sur or de la molécule donneur (gauche) et accepteur (droite). La SAM de la molécule donneur est organisée, ainsi que le montre le réseau apparaissant sur l’image STM, ce qui se traduit par un seul niveau HOMO mis en jeu dans le transport électronique mesuré sous la pointe du microscope. Au contraire, le désordre de SAM de la molécule accepteur entraîne une dispersion des niveaux électroniques LUMO (au nombre de trois) intervenant dans le transport électronique. En-dessous les images STM, on peut observer la rectification caractéristique du caractère donneur ou accepteur de la molécule sur les caractéristiques courant-tension, ainsi que la dispersion plus importante de de la tension de rectification pour la SAM non organisée (accepteur).
Figure 2 : Spectres UPS et IPES permettant de déterminer la position du niveau moléculaire respectivement occupé de plus haute énergie « HOMO » et inoccupé de plus basse énergie « LUMO » des deux SAMs de molécules de types donneur et accepteur étudiées. Le spectre IPES fait apparaître deux niveaux LUMO pour la SAM sans organisation de l’accepteur.
Ces différentes analyses ont permis de mettre en évidence la relation entre structure et propriétés électriques. En particulier, un seul niveau HOMO est impliqué dans le transport à travers la couche organisée de la molécule donneur, alors que pour la couche désorganisée de la molécule accepteur plusieurs niveaux LUMO interviennent.
Publications sur la période
X. Lefèvre, F. Moggia, O. Segut, Y.-P. Lin, Y. Ksari, G. Delafosse, K. Smaali, D. Guérin,V. Derycke, D. Vuillaume, S. Lenfant,* L. Patrone,* B. Jousselme*
Influence of molecular organization on the electrical characteristics of π-conjugated self-assembled monolayers.
J. Phys. Chem. C 119(10) pp. 5703–5713 (2015) / DOI: 10.1021/jp512991d
