Chapitre IV: Réalisation et caractérisation de dispositifs mémoires organiques
IV.2 Dispositifs NOMFET : Processus de fabrication
Les dispositifs NOMFETs sont des transistors organiques à base de nanoparticules d’or. On utilise un substrat en silicium fortement dopé (avec une résistivité <10-3 Ω.cm) et recouvert
d’une couche de 200 nm de dioxyde de silicium (SiO2) (obtenue par croissance thermique) et qui
va agir comme grille arrière. Des électrodes (titane/or (30/300 nm)) sont par la suite, déposées sur le substrat par évaporation sous vide, ce qui permet d’obtenir des contacts Drain/Source linéaires et interdigités avec des largeurs de canaux variant de L=1µm à L=50µm (voir chapitre II).
Figure IV. 1 Étapes de fabrication du dispositif NOMFET
IV.2.2
Fonctionnalisation de surface et dépôt de Nanoparticules d’or
IV.2.2.1 Synthèse de Nanoparticules d’or de 10 nm par la méthode de Turkevich
Tout d’abord, pour obtenir une solution aqueuse de 100 ml de nanoparticules d’or, une première solution est préparée en diluant 1 mL de chlorhydrate d’or (HAuCl4, 4H2O à (1% m/v))dans 79 mL d’eau. En même temps, 20 mL d’une solution réductrice, contenant 4 ml de citrate de sodium (C6H5O9Na3.2H2O) à (1% m/v) et 80 µL d’acide tannique (1% m/v) dans 16 ml de H2O
dans 16 mL d’eau, est préparée.
Les deux solutions sont portées par la suite, à 60 °C puis additionnées rapidement sous vive agitation. Ensuite, le mélange est porté à la température d’ébullition pendant 10 min avant d’être refroidi à la température ambiante. La solution rougeâtre résultante contient typiquement des particules d’or de 10 nm de diamètre. Les tailles des NP’s ainsi que leurs densités sur les surfaces fonctionnalisées sont vérifiées à partir des images MEB qu’on va montrer par la suite.
Les nanoparticules d’or ont tendance à s’agréger sous l’action des forces de Van der Waals. Pour éviter ce problème, des molécules ioniques de citrate désignées par le terme molécules ligands, peuvent être adsorbées sur la surface des NP’s (insert de la figure IV.1)
Il faut bien noter, qu’il existe plusieurs types de ligands, et selon chaque type on obtient des fonctionnalités chimiques spécifiques [2].
IV.2.2.2 Fonctionnalisation de la surface « couche d’accrochage »
Afin d’améliorer la stabilité de la monocouche des nanoparticules d’or sur le substrat, il est nécessaire de fonctionnaliser la surface avec des molécules d’accrochages. Pour cela on utilise des molécules, ayant des terminaisons amines ―𝑁𝐻2 ou (ammonium ―𝑁𝐻3+) (figure IV.2.a), qui
établissent des liaisons ioniques avec les ions citrates adsorbés sur les NP’s d’or.
Immédiatement après nettoyage, le diélectrique de grille est fonctionnalisé par une monocouche auto-assemblée (SAM) d’APTS (3-aminopropyl trimethoxysilane) jouant le rôle de la couche d’accrochage [3]. La SAM est préparée à partir d’une solution d’APTS, diluées dans du méthanol avec une concentration de 1 µL/mL. La réaction dure 1H et se fait dans une boîte à gants (sous atmosphère contrôlée (O2, H2O < 0.1 ppm)).
(a) (b)
Figure IV. 2 a) accrochage des nanoparticules d’or via les liaisons ioniques entre les ions citrates et les terminaisons amines de la SAM b) Angle de contact de la surface de SiO2 traitée par l’APTS. L’excès des molécules qui n’ont pas réagi, est éliminé par rinçage sous ultrasons dans du méthanol et l’échantillon est ensuite séché avec de l’azote. L’angle de contact de la surface traitée avec l’eau montre une valeur de 39° (figure IV.1.b), valeur caractéristique d’une surface hydrophile à terminaison NH2 [3].
IV.2.2.2
Dépôt des nanoparticules d’or
L’étape suivante consiste à faire tremper l’échantillon dans la solution de NP’s Au stabilisées par les molécules de citrate, durant 24 heures. Cette méthode abouti à la formation d’un tapis de NP’s d’or avec une densité d’environ 6.37 1010 NP/cm2 (figure IV.3).
Zoom
Figure IV. 3 Image MEB du réseau de nanoparticules d’or au niveau du canal drain-source avant le dépôt de la couche semiconductrice.
L’échantillon est ensuite, nettoyé avec de l’eau désionisée et de l’isopropanol, et séché sous un flux d’azote. Les nanoparticules d’or déposées sur SiO2 forment des entités individuelles sans
s’agréger et ceci est dû principalement aux forces de répulsion coulombiennes entre les molécules de citrate chargées négativement. La densité des nanoparticules d’or peut être ajustée en changeant la concentration de la solution ou bien le temps de dépôt [4]. En effet, il a été déjà démontré que la densité optimale pour observer un comportement mémoire est d’environ 1011 à 1012 NP’s/cm2.
Au-delà de 1012 NP’s/cm2 le dispositif ne présente pas de comportement mémoire en raison des
courts circuits qui peuvent se manifester entre la source et le drain [5].
IV.2.3 Dépôt de la couche active « Polyera
TMN2200 »
Avant de procéder au dépôt de la couche active, le substrat est immergé pendant 2 heures dans une solution 10-3M d’OTS dans un mélange de n-hexane et de dichlorométhane (70:30 v/v),
cette étape est nécessaire pour la passivation de la surface de dépôt, ce qui va permettre de modifier son énergie de surface et d’améliorer la qualité du film semiconducteur déposé et par conséquent le transport de charges. Le dispositif est par la suite, rincé dans du dichlorométhane, puis séché avec un flux d’azote.
Le dépôt du film semiconducteur est effectué en suite par dépôt à la tournette du polymère N2200, en utilisant les paramètres optimisés lors de la réalisation des transistors à effet de champ et qui ont été mentionnés dans le chapitre II.
Vitesse de dépôt : 2500 rpm
Rampe : 4s
Concentration 10mg/ml
Solvant Chloroforme CHCl3 90%+ Dichlorobenzène 10%
L’étude morphologique par AFM, de la surface du polymère N2200 déposé, montre la présence de nanostructures fibrillaires orientées dans toutes les directions. La rugosité moyenne (RMS) mesurée d’une surface de 2µm×2µm du film N2200 sur un substrat Si/SiO2 fonctionnalisé par la SAM OTS est estimée à 1.15 nm pour une épaisseur du film obtenue
est de 113 nm.