Contactage et suspension des nanotubes

Après avoir détaillé la fabrication des membranes compatibles avec l’observation TEM, intéressons-nous maintenant à leur utilisation pour le contactage des nanotubes de car- bone. Les figures 3.12.a,b,c récapitulent les étapes nécessaires au contactage des nanotubes sur la membrane. La procédure est exactement la même que pour le contactage sur un substrat solide avec néanmoins quelques difficultés supplémentaires du fait de la fragilité plus importante introduite par les membranes. Le dépôt des nanotubes (Fig. 3.12.b) peut s’effectuer à l’aide de gouttes comme évoqué dans la section 3.2.3 ou par peignage sur des membranes en SiO2 munies d’un traitement de surface adapté (section 3.2.4). La difficulté

supplémentaire introduite par rapport aux substrats solides survient essentiellement au niveau du séchage des membranes après le dépôt. En effet, un séchage trop violent par jet d’azote dirigé perpendiculairement à la surface des membranes entraîne généralement une rupture des membranes. L’astuce revient ainsi à sécher l’échantillon en inclinant suf- fisamment le jet d’azote par rapport à la surface des membranes. Il faut également veiller à sécher l’échantillon suffisamment vite pour limiter les salissures introduites lors d’un sé- chage trop lent. En effet, les saletés résultant d’un mauvais séchage des membranes peuvent recouvrir la surface des nanotubes et limiter ensuite la qualité des contacts électriques. La courbure (même faible) ainsi que les possibles déformations des membranes peuvent égale- ment poser des difficultés supplémentaires pour un bon séchage. Les nanotubes déposés sur les membranes sont ensuite localisés par AFM puis connectés à des électrodes métalliques par lithographie électronique (section 3.3.3). L’insolation se fait de manière analogue aux substrats solides avec néanmoins une dose augmentée de 30% pour les membranes par rap- port aux substrats plus conventionnels. Après révélation et métallisation de l’échantillon, le lift-off est réalisé sans utiliser des ultrasons puisque des vibrations même faibles conduisent immédiatement à la rupture de la membrane. Au final (Fig. 3.12.c), on obtient des échan-

tillons comparables à celui imagé sur la figure 3.13. Les membranes utilisées dans ce travail étant relativement épaisses (200-300 nm), l’observation TEM du nanotube connecté sur la membrane peut être améliorée en affinant localement la membrane au niveau du nanotube. Nous avons ainsi choisi de graver la membrane sur la face avant où est connecté le nanotube pour augmenter la transparence de la membrane et faciliter ainsi l’observation du nanotube connecté. Un masquage en PMMA réalisé par lithographie électronique définit une ouver- ture localisée au niveau du nanotube (Fig. 3.12.d). La face avant de l’échantillon est alors mise en contact avec une solution tamponée de HF (BHF) qui grave le SiO2sur une surface

définie par le masquage de résine (Fig. 3.12.e) à une vitesse d’environ 60 nm/min pour une ouverture d’une taille inférieure à 1 µm de côté, avec néanmoins une surgravure en-dessous de la résine comme nous le verrons dans la section 3.4.3. L’échantillon est ensuite rincé à l’eau pour arrêter la gravure puis à l’acétone pour dissoudre le masque de résine. Pour éviter que le nanotube ne soit cassé ou abimé lors du séchage en phase liquide, l’échantillon est placé dans de l’alcool progressivement remplacé par du CO2 porté à des conditions de

température et de pression où il subit une transition supercritique. L’échantillon est alors séché sans les contraintes introduites lors d’un séchage directement à partir de l’état li- quide. Après séchage, le nanotube est suspendu au dessus de la membrane dont l’épaisseur est réduite grâce à la gravure localisée essentiellement sous le nanotube (Fig. 3.12.f). Une fois les nanotubes connectés sur membrane, leurs propriétés de transport électronique sont mesurées de manière analogue aux nanotubes connectés sur un substrat solide. Les nano- tubes sont alors placés dans un cryostat et reliés à un système de mesure. Lorsque l’on place l’échantillon dans le système de mesure, il faut veiller à ce que le vide du cryostat puisse aussi se faire dans l’espace vide situé sous la membrane de sorte que la membrane ne casse pas sous l’effet d’une différence de pression s’exerçant entre la face avant et la face arrière de la membrane. Si l’échantillon est trop bien collé sur le support prévu à cet effet à l’intérieur du cryostat, le vide a du mal à se faire dans le puits de gravure et entraîne une rupture totale de la membrane et des pistes métalliques connectant le nanotube. En utilisant des électrodes fabriquées en Pd, nous avons obtenu de bons contacts électriques d’une qualité comparable aux contacts fabriqués sur des substrats conventionnels. Pour les membranes que nous avons fabriquées, le substrat de silicium n’était pas suffisamment dopé pour être utilisé comme une grille électrostatique en face arrière. Les grilles que nous avons utilisées sont des grilles locales constituées de pistes métalliques situées à proximité du nanotube.

membrane source ouverture 50 µm membrane (SiO2) 0.2 – 0.5 µm (a) (d) (c) (b) (f) (e) 300 nm drain membrane source drain membrane BHF drain source membrane drain source membrane

Fig. 3.12 – Etapes de fabrication des dispositifs compatibles avec l’observation TEM. Le nanotube est tout d’abord déposé sur la membrane (b) puis connecté à des électrodes mé- talliques par lithographie électronique suivie d’un lift-off (c). A ce stade, on obtient un nanotube de carbone connecté sur la membrane et muni d’une grille électrostatique consti- tuée d’une électrode métallique fabriquée sur la membrane à proximité du nanotube. Pour permettre l’observation de nanotubes de petits diamètres, il est nécessaire d’amincir loca- lement la membrane située en dessous du nanotube par gravure humide au BHF (d,e). Le dispositif final est schématisé en (f ). Le nanotube est attaché aux deux contacts électriques et peut être observé au TEM par transparence à travers la membrane.

b

a

Fig.3.13 – (a,b) Images optique de nanotubes connectés sur une membrane en SiO_{2 ana-} logue à celle présentée sur la figure 3.11. Les pistes métalliques en Pd sont fabriquées par lithographie électronique suivie d’un lift-off après le dépôt préalable des nanotubes sur la membrane (Fig. 3.12.a,b,c). Les deux nanotubes connectés sont munis de grilles électrosta- tiques latérales.