CHAPITRE 2 FABRICATION DE R´ ESEAUX DE NANOFILS
2.4 Electrod´eposition de nanofils ferromagn´etiques ´
2.4.2 Electrod´eposition de nanofils de composition uniforme ´
Une couche d’adh´esion de Ti de 5 nm d’´epaisseur est d´epos´ee par pulv´erisation sur une des surfaces de la membrane d’alumine. Une couche d’or de 1 micron est d´epos´ee par pulv´erisation sur la couche de Ti. L’or a une conductivit´e ´electrique ´elev´ee et s’oxide peu. Elle sert de couche conductrice pour l’´electrod´eposition de nanofils ferromagn´etiques.
La membrane d’alumine recouverte d’or est coup´ee en plusieurs morceaux. Pour ce faire, la membrane est fix´ee entre deux plaques rigides recouvertes d’un papier doux (Kimwipe, Kimtech Science Brand de Kimberly-Clark), afin de ne pas endommager la surface d’alumine et la couche d’or. La membrane est entaill´ee du cˆot´e alumine, pr`es des plaques rigides, `a l’aide d’un scalpel en acier inoxidable. Nous avons remarqu´e qu’un scalpel entaille ais´ement les membranes d’alumine obtenues `a l’aide du montage A, et difficilement les membranes d’alumine obtenue `a l’aide du montage B. On peut utiliser une pointe de diamant si n´ecessaire. Une l´eg`ere pression sur la membrane cause une fracture le long de l’entaille. La membrane obtenue `a l’aide du montage B clive le long de l’entaille alors qu’une membrane obtenue `a l’aide du montage A se fracture de mani`ere irr´eguli`ere le long de l’entaille.
Une fois la membrane d’alumine coup´ee selon la taille d´esir´ee (typiquement 1 cm par 1 cm ou 2 cm par 2 cm), un ruban de cuivre 3M d’environ 10 cm de longueur, 5 mm de largeur, est coll´e sur la surface d’or `a l’aide d’une colle ´epoxy conductrice `a base d’argent de MG Chemicals. La membrane d’alumine est d´epos´ee sur une surface isolante, typiquement une plaquette de verre, puis est recouverte d’une couche isolante sur les pourtours de la membrane, de mani`ere `a ce que la couche d’or ne soit pas en contact avec la solution ´electrochimique. La couche isolante est constitu´ee d’une laque hydrofuge `a base de nylon ou d’un film polym´erique (Riston, de la compagnie Dupont) chauff´e entre 80 et 100oC, pour promouvoir l’adh´esion `a
la surface de l’alumine. Le Riston est un film photosensible utilis´e typiquement dans les proc´ed´es de lithographie. Il se dissout dans l’isopropanol ou l’ac´etone.
Des r´eseaux de nanofils de Ni et de Co94Fe5B1sont ´electrod´epos´es dans les pores des mem-
alliage doux et d’aimantation `a saturation ´elev´ee. Les nanofils de CoFeB sont ´electrod´epos´es selon la recette pr´esent´ee au tableau 2.3. Cette recette a ´et´e d´evelopp´ee par Ciureanu et al. [41].
Tableau 2.3 Constituants de la solution ´electrolytique pour l’´electrod´eposition de nanofils de CoFeB. Le pH est ajust´e `a 3.5, la temp´erature est ambiante et la densit´e de courant est de 100 mA/cm2. Le courant est constitu´e de pulses rectangulaires de 100 mA/cm2 pendant
20 msec et 0 mA/cm2 pendant 152 msec.
Solution Constituant Masse (g) Concentration (M)
(pour 1 L de solution) 1 C(H2N)2S 2.16 0.028 (Thiour´ee) 2 (CH3)2NH :BH3 40 0.68 (Dim´ethylaminoborane) CoFeB CoCl2·6H20 83.2 0.35 FeCl2·4H20 4.95 0.025 H3BO3 32.915 0.5 NaCl 17 0.5 Na3C6H5O7·2H20 5 0.017 (Citrate de Na) CH3(CH2)11SO3Na (NaLS) 0.15 0.0005 Solution 1 (10 mL) Solution 2 (5 mL) Compl´eter `a 1 L avec eau distill´ee
Les sels proviennent de Sigma-Aldrich. Les sels de Co et de Fe (CoCl2·6H20 99% et
FeCl2·4H20 99%) fournissent la solution en ions Co2+ et Fe2+, pour l’´electrod´eposition de
l’alliage magn´etique. Le dim´ethylaminoborane ((CH3)2NH :BH3 97%) est une source de
bore. Lors de l’´electrod´eposition, le bore se co-d´epose avec le Co et le Fe. Le bore est g´en´eralement ajout´e aux alliages m´etalliques magn´etiques pour rendre ceux-ci amorphes [131], et magn´etiquement doux. Le NaCl (99.5%) est ajout´e pour augmenter la conducti- vit´e ´electrique de la solution ´electrochimique. La thiour´ee (C(H2N)2S 99%), une mol´ecule
azot´ee dans la mˆeme famille que l’ur´ee, est utilis´ee comme agent anti-stress, afin d’´eviter les contraintes lors de l’´electrod´eposition. L’acide borique (H3BO3 98%) est utilis´e afin d’obtenir
une solution tampon, c’est-`a-dire une solution qui maintient le pH constant. Le citrate de sodium (Na3C6H5O7·2H20 99%) empˆeche l’oxydation des ions m´etalliques, en particulier le
fer. Le sodium lauryl sulfate (NaLS 99% ACS Reagent) est utilis´e pour ´eviter la r´eduction des ions H+ en hydrog`ene H
2. Il est pr´ef´erable d’ajouter 5 mg de NaLS `a chaque utilisation,
Le tableau 2.4 pr´esente la recette pour l’´electrod´eposition de nanofils de Ni. Le sel de Ni (NiSO4·6H20 98% ACS Reagent de Alfa Aesar) fournit la solution ´electrochimique en ions
Ni2+ pour l’´electrod´eposition de Ni. Le rˆole des autres constituants est le mˆeme que pour
l’alliage de CoFeB mentionn´e ci-haut.
Tableau 2.4 Constituants de la solution ´electrolytique pour l’´electrod´eposition de nanofils de nickel. Le pH est ajust´e `a 2.8, la temp´erature est ambiante et la densit´e de courant est de 100 mA/cm2. Le courant est constitu´e de pulses rectangulaires de 100 mA/cm2 pendant
20 msec et 0 mA/cm2 pendant 152 msec.
Constituant Masse (g) Concentration (M)
(pour 1 L de solution)
NiSO4·6H20 52.57 0.2
H3BO3 30.91 0.5
CH3(CH2)11SO3Na (NaLS) 0.15 0.0005
Le pH est mesur´e `a l’aide d’une ´electrode de r´ef´erence Ag/AgCl Orion et d’un pHm`etre Thermo Orion mod`ele 310. Le pHm`etre est calibr´e `a l’aide d’une solution pH 2.00 et 7.00 de Fisher Scientific. Le pH est ajust´e en ajoutant des gouttes de KOH 4 M ou de H2SO4 98% `a
la solution.
Si nous mesurons une surface d’´echantillon S [cm2], le courant de d´epˆot i
dep [mA] durant
le temps ton est donn´e par idep = 100aS, o`u a = 0.23 pour les membranes d’alumine commer-
ciales et a = 0.1 pour les membranes d’alumine obtenues par anodization de l’aluminium. Avec ces param`etres, nous avons d´etermin´e exp´erimentalement qu’il faut un temps de 2.69 h pour obtenir des fils de Ni de 10 microns de longueur et un temps de 2.67 h pour obtenir des fils de CoFeB de 10 microns de longueur, en utilisant un courant puls´e de forme rectangulaire, de courant idep= 100aS pendant ton = 20 msec et idep = 0 pendant toff= 152 msec.
Il est ´egalement possible d’´electrod´eposer des nanofils de NiFe, des nanofils de Cu, ou des nanofils constitu´es de couches magn´etiques et non-magn´etique en alternance. Ces recettes sont d´etaill´ees `a l’annexe A.