Cette thèse se situe dans le cadre d'un projet qui vise la miniaturisation de circuits électroniques en réalisant une unité de calcul constituée d'une molécule connectée à des électrodes mésoscopiques. La première étape pour réaliser un tel dispositif est de choisir une surface qui soit isolante, afin de découpler les états électroniques de la molécule de ceux du substrat et sur laquelle il soit possible de faire croître des îlots métalliques « 2D », c'est-à-dire suffisamment minces et étendus pour réaliser les électrodes mésoscopiques. Des études sur des molécules uniques sur des cristaux ioniques tels que le KBr ont déjà été réalisées mais ces surfaces ne sont pas adaptées à la croissance d'îlots métalliques 2D. De fait, il existe très peu de couples isolant/métal qui présentent ces caractéristiques et l'un des enjeux de cette thèse était de trouver un tel système. Notre choix s'est porté sur le nitrure d'aluminium (AlN), en raison de sa grande énergie de bande interdite (6,2 eV) et de sa similarité avec le nitrure de gallium (GaN, 3,4 eV) sur lequel il est possible de faire croître des îlots 2D de magnésium, comme l'a montré un travail récent.
De par leurs propriétés exceptionnelles, l'AlN et les semi-conducteurs III-V (Ga, In)N ont été, durant ces deux dernières décades, au centre de nombreuses études et développements technologiques. Ils sont aujourd'hui largement utilisés dans l'industrie pour leurs propriétés électroniques et optoélectroniques. L'optimisation du GaN pour son utilisation dans les diodes électroluminescentes (LED) bleues a d'ailleurs été récompensée par le prix Nobel de physique 2014.
Le caractère isolant de l'AlN interdit sa caractérisation par microscopie à effet tunnel et les outils tels que le microscope à force atomique (AFM) opérant à l'air se révèlent souvent limités pour caractériser précisément ces surfaces.
Introduit par Albrecht en 1991, l'AFM en mode non contact (NC-AFM) est maintenant connu pour sa capacité à fournir des images à résolution atomique de surfaces isolantes ou semi-conductrices à grand gap et se révèle ainsi être un outil puissant pour étudier la surface d'AlN. La microscopie à sonde de Kelvin (KPFM), technique complémentaire du NC-AFM, permet quant à elle de caractériser certaines des propriétés électriques de surface.
Le travail présenté dans cette thèse porte sur la réalisation par épitaxie par jets moléculaire de films minces d'AlN sur substrats de silicium (Si(111)) et de carbure de silicium (SiC(0001)) et sur la croissance de métaux (In et Mg) sur ces films ainsi que leur étude par NC-AFM et KPFM sous ultra vide. Cette étude NC-AFM et KPFM est la première à ce jour sur ce type de systèmes.
Elle a permis de concevoir et d'adapter les protocoles de croissance afin d'améliorer la qualité cristalline des films au-delà de l'état de l'art. Ils présentent maintenant des surfaces adaptées au dépôt d'ilots métalliques et de molécules et l'origine des défauts est mieux comprise.
Des calculs théoriques réalisés en collaboration ont permis d'obtenir de façon reproductible une reconstruction de surface (2x2) de l'AlN, pour laquelle la surface est terminée par une couche d'atomes d'azote. De par sa configuration, cette reconstruction est adaptée au dépôt de molécule et d'îlots métalliques. Les études NC-AFM à résolution atomique confirment la présence de cette reconstruction de surface.
Deux métaux (In et Mg) ont été déposés sur des films d'AlN et les îlots créés étudiés par NC-AFM et KPFM. La croissance pour ces deux métaux s'effectue selon un mode appelé réactif, où une première couche formée par la réaction des atomes métalliques incidents avec les atomes d'azote de surface se forme, suivie par la formation d'îlots 3D pour l'indium et 2D pour le magnésium.
Ce travail de thèse a permis de d'identifier le système Mg/AlN(0001) comme très prometteur pour la fabrication de microélectrodes pour l'adressage électrique de nano-objets tels que des molécules, en géométrie planaire. |
This thesis is part of a project which aims at miniaturizing electronic circuits by building a calculation unit based on a single molecule connected to mesoscopic electrodes. The first step is to find a suitable surface, i.e. an insulating or large gap semi-conductor surface to decouple the electronic states of the molecule from the electronic states of the substrate. It must also be compatible with the growth of flat metallic nano-pads to realize mesoscopic electrodes. Studies of single molecules on ionic crystals such das KBr have already been made but these surfaces are not suitable for the growth of flat metallic electrodes. In fact, there are very few insulator/metal couples with these characteristics. One challenge of this thesis was to find such a system. Our choice was focused on the large gap semi-conductor Aluminum Nitride (AlN, gap = 6.2 eV). Indeed it has been shown in a recent study that the growth of magnesium on a similar substrate (GaN, gap = 3.4 eV) yields one mono-layer high islands.
Because of their unique properties, aluminum nitride (AlN) and III-V semiconductors (Ga, In)N have been the focus of many studies and technological developments during the last two decades. They are now widely used in the industry for their electronic and optoelectronic properties. Indeed, the optimization of gallium nitride (GaN) for its use in blue light emitting diodes (LED) has been rewarded by the 2014 Nobel Prize in physics.
The insulating nature of AlN prohibits its characterization by STM (Scanning Tunnelling Microscopy). The conventional tools, such as AFM operating at air (to name only one) appear to be limited to characterize precisely these surfaces.
Introduced by Albrecht et al. in 1991, the NC-AFM is now well known for its ability to achieve true atomic resolution images on insulator or large gap semi-conductor surfaces. It is a powerful tool to study and characterize the quality of AlN surfaces. Coupled to NC-AFM, Kelvin Force Probe Microscopy (KPFM) allows to observe some of the electronic properties of the sample.
The present work is focused on the realization by molecular beam epitaxy of AlN thin layers on silicon (Si(111)) and silicon carbide (SiC(0001)) substrates. On these layers, two metals (In and Mg) were deposited. We performed the first study to this date by NC-AFM and KPFM under ultrahigh vacuum on this type of systems.
NC-AFM studies of AlN films helped to create and to adapt the growth protocols in order to improve the crystalline quality of the films beyond the state of the art. Our AlN layers now present suitable surfaces for depositing metallic electrodes and molecules. These studies also provide a better understanding of the origin of the residual defects.
Theoretical calculations carried out in collaboration helped us to design a growth protocol which allows to reproducibly obtain a (2x2) surface reconstruction for which the surface is terminated by a layer of N atoms. By its configuration, this reconstruction is adapted to the deposition of molecule and metallic electrodes. NC-AFM studies at atomic resolution confirmed the presence of this reconstruction.
Two metals (In and Mg) were deposited on AlN films and the islands created studied by NC-AFM and KPFM. The growth of this two metals follows a “reactive” mode: A mixed layer, which results from the chemical reaction of the incoming metal atoms with the N adatoms of the surface forms, followed by the growth of 3D islands in the case of In and 2D islands in the case of Mg.
This work helped to identify the Mg/AlN(0001) system as a very promising one for the fabrication of microelectrodes for electrical addressing of nano-objects such as molecules in planar geometry. |