Etude des propriétés électriques grâce à l’AFM

Les propriétés électriques des assemblages or/polymère sont fondamentales pour les appli atio s du t pe apteu ou le t o i ue fle i le. Afi d’ tudie l’i flue e de la st u tu e interne des assemblages sur leurs propriétés électriques nous avons mesuré la conductivité le t i ue de su fa e e utilisa t l’AFM oupl a e u odule R sis ope Figu e . Cet appa eil pe et d’appli ue des te sio s de +/- 10V et peut mesurer des résistances comprises entre 102 et 1012Ω e ode o ta t.

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Figure 1 : Représentation schématique d'une mesure de résistance de surface grâce au module Résiscope.

La mesure consiste à appliquer une différence de potentiel entre la pointe AFM et l’ ha tillo et à esu e l’i te sit le t i ue poi t pa poi t pe da t ue l’i age AFM e ode o ta t est alis e. E utilisa t la loi d’Oh , o peut o te i u e i age o espo da t à la cartographie des résistances électriques de surface. Afi d’assu e u o ta t e t e l’ le t ode et l’ ha tillo , u e lig e de la ue d’a ge t a t utilis e (Figure 1). Une pointe conductrice (Nanosensors CDT FMR 10) avec une résistance mesurée à 104 Ω a t utilis e pour ces expériences et la force ent e la poi te et l’ le t ode est hoisie pou t e suffisamment importante de manière à conserver une surface de contact pointe/substrat o sta te ais pas t op i po ta te afi de e pas d t io e l’ ha tillo [1]. Pour réaliser nos mesures, nous avons réalisé une rayure avec une pointe fine sur nos échantillons afin d’a oi pou f e e le su st at de sili iu pou le uel, da s ot e o figu atio , au u courant électrique ne doit être mesuré (sauf si des chemins de conduction apparaissent à t a e s toute l’ paisseu de l’asse lage . Les esu es ai si effectuées permettent alors de connaître la sista e su l’ ha tillo et de disti gue des zo es o du t i es ou isola tes.

Figure 2 : Images AFM de la topographie de surface au niveau du scratch et images de la résistance électrique associée pour des températures de dépôt de 24°C et 220°C [2].

SI PS/Or SI PS/Or

Conducteur _Isolant

Isolant

98 La figure 2 montre des images AFM de topographie effectuées près du scratch fait sur la su fa e de l’ ha tillo et la a tog aphie de la sista e de su fa e asso i e à ette e zo e. L’ helle e ) doit t e odifi e pou t e appo t e à u e sista e de su fa e e utilisant la formule : = �+ Ω, où V d sig e la aleu du ou a t su l’i age. Ai si, su la figure 2, les zones claires en topographie correspondent aux régions de fortes épaisseurs (le fil de pol st e et d’o et e a tog aphie, es gio s lai es indiquent des zones isolantes. Comme on peut le voir sur les images de topographie, le substrat de silicium est associé à une zone foncée à cause de sa plus faible hauteur comparée à la zone claire qui représente le film de PS/Or. La zone de silicium est aussi celle qui a la plus forte résistance à °C, o e le o t e la a tog aphie asso i e de l’ ha tillo . E effet, a e la diff e e de potentiel appliquée, on trouve une résistance qui est donc pratiquement infinie. La partie ui o tie t l’o est pa contre faiblement résistance (très conductrice) avec une résistance de R= . kΩ. Cette aleu de sista e le t i ue est peut-être surestimée par rapport à la alit ais il ’est pas possi le d’a oi a s à la aleu elle a elle est situ e da s les li ites de l’appa eil da s l’o d e de g a deu de la sista e de la poi te .

Pou l’ ha tillo à °C, la sista e t ou e su la zo e de l’asse lage est identique à celle mesurée sur le silicium : R=212Ω. Cette aleu peut t e plus g a de da s la alit ais ous so es ette fois da s les li ites hautes de d te tio de l’appa eil. Cette mesure confirme donc la modification des propriétés de conduction électrique entre l’ ha tillo p pa à °C et elui p pa à °C. Ce sultat ’est pas surprenant si on le et e ega d de l’ olutio de la st u tu e de l’asse lage tudi e dans le chapitre p de t. E effet, à °C, la su fa e de l’asse lage est o stitu e d’u fil d’o ho og e et donc bon conducteur électrique mais à 220°C, on a vu que la surface du film était constituée de pol e ui e p he do la p opagatio du ou a t e su fa e de l’asse lage. La elatio e t e la st u tu e i te e et les p op i t s de o du tio su fa i ue de l’asse lage est e o e plus lai e lo s u’on mesure la résistance électrique de surface des assemblages PS/Or en fonction de la température du substrat (Figure 3). Pour obtenir cette courbe, nous a o s i ag g â e à l’AFM su la a u e des ha tillo s do t le d pôt d’o a t fait à différentes températures (entre -20°C et 220°C). La mesure se fait à température ambiante et les aleu s e t aites o espo de t à la aleu de la sista e le t i ue de la ou he d’o .

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Figure 3 : Résistance de surface (en échelle logarithmique) en fonction de la température de dépôt. Les points en pointillés indiquent les valeurs limites possibles détectables pas l'appareil [2].

Sur cette courbe, on peut noter quatre régimes bien distincts. Pour de faibles température (<24°C), une grande conductivité est notée sur la surface des échantillons. Cette o se atio peut t e ise e lie a e la g a de o du ti it de l’o et la st u tu e e ou he ho og e d’ paisseu fi ie o /pol e ue ous a o s d ite p de e t. Pou des films minces métalliques, la conductivité électrique se fait par les joints de grains [3]. Cela o o de a e l’ tude faite pa ζajadda et al. [4] ui t a aillaie t su d’o d pos pa pul isatio athodi ue su sili iu et ui se so t i t ess s à l’effet de la te p atu e e tre 2K et 300K pour étudier les résistances présentes dans le films. En utilisant un système de mesures des propriétés physiques (PPMS, de chez Quantum Design), la résistance des films de a u e aleu i itiale de sista e esu e i f ieu e à kΩ à 0K, puis diminue pour attei d e u i i a à te p atu e a ia te et aug e te e suite a e l’ l atio de te p atu e. La o phologie de su fa e ha ge, passa t d’u fil dis o ti u à fai le température à un film continu avec des îlots ayant coalescés en augmentant la température. La sista e à fai le te p atu e est due à la a i e de l’effet tu el u’il faut f a hi ou à u e a i e oulo ie e. Da s le as d’u ouplage d’îlots i po ta t do à haute température), la résistance est alors coulombienne.

Le second régime se caractérise par une augmentation linéaire (en échelle logarithmique) de la résistance, pour des dépôts effectués entre 24°C et 110°C avec une pente de 57.5*10-3 °C-1. De précédentes études se sont intéressées à la résistance électrique de films métalliques en fonction de la température. Sun et al. [5] qui travaillaient sur des films de diff e tes paisseu s d’o de . à . d pos s su sili iu o t tudi l’i pa t de

100 la morphologie de surface sur la résistance et ont montré en faisant des mesures quatre pointes (recuit in situ entre 80K et 300K) que le coefficient de résistance (TCR défini par : α=d l R /dT où R est la sista e et T la te p atu e aug e tait de . -4 K-1 pour une épaisseur de 3.2 nm à 8.5*10-4 K-1pour 97.8 nm. Ils ont donc observé une augmentation linéaire de la résistance de surface dans un graphique log(Rs)=f(log(T)). La pente extraite est alors associée au TCR (Temperature Coefficient of Resistance). Le signe de la pente peut alors être utilisé pour caractériser la nature du mode de conduction dans les films. Ici, contrairement à ces travaux, les mesures de la résistance sont faites après le dépôt du film d’o et à te p atu e a ia te. La pe te ue ous o te o s da s ot e g aphique ne peut do t pas t e asso i e au TCR. Puis u’au u e olutio ’a t ot e su la ugosit de surface pour les échantillons faits entre -20°C et 90°C, une explication possible, au vu résultats de l’ tude de la st u tu e i te e de l’asse lage, pourrait être le remplissage progressif des joi ts de g ai s de la ou he d’o pa le pol e. Ce e plissage p og essif a a t pou o s ue e d’aug e te p og essi e e t la dista e e t e les g ai s et do de supp i e des chemins de conduction.

Dans le troisième régime, entre 100°C et 160°C, la résistance est très élevée (environ 1010Ω et este o sta te su toute la ga e de te p atu e. Nous pe so s ue ette phase est asso i e à l’appa itio e su fa e d’u e t s fi e ou he de pol st e su e i on 2 nm ui li ite ais ’e p he pas o pl te e t la o du tio le t i ue e t e la poi te et l’ ha tillo .

Enfin dans le dernier régime, pour des températures supérieures à 160°C, aucun ou a t e peut t e d te t e su fa e. La ou he d’o est alo s totalement enfouie dans la ou he de pol e et l’ paisseu de la ou he de pol e à la su fa e esti e à pa réflectivité de rayons X) est trop élevée pour permettre au courant de passer.

En conclusion, on a vu dans cette étude que pour des films d’o de fai le paisseu , déposé sur des substrats polymères, les conditions de dépôt (ici température du substrat) avaient des conséquences importantes sur les propriétés de conduction électrique. La migration progressive du polymère en surface entraîne une diminution importante de la o du ti it le t i ue ui da s le as d’appli atio o e l’ le t o i ue fle i le se ait préjudiciable au bon fonctionnement du système. Dans le cas où des traitements thermiques so t i ita les soudu e… la solutio o siste ait à aug e te l’ paisseu du fil d’o afi d’ ite au pol e d’attei d e la su fa e de l’asse lage.

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