2.3 Propriétés électroniques des jonctions
2.3.3 Mesure de la conductance des jonctions à partir des caractéris-
cette zone devient important. Si on considère une jonction constituée de deux faces parallèles, le champ s’écrit :
E= VDC
d (2.8)
Une différence de potentiel deVDC = 1 V, appliquée aux bornes d’une jonction de tailled= 1 nm, mène à un champ électrique de 109 V.m−1. Pour des jonctions à géo-métries complexes, la présence d’aspérités va certainement contribuer à des exalta-tions et augmenter la valeur du champ local. Ce champ intense a pour conséquence d’accroitre la mobilité des atomes d’une électrode à l’autre, ou encore d’influencer la réorganisation des atomes au sein de la jonction.
Ce type de phénomène est démontré dans les travaux de Binnig et Rohrer à l’aide du microscope à effet tunnel [79]. Les atomes migrent de l’échantillon à la pointe en modifiant ainsi la géométrie de la jonction. Une augmentation abrupte de la conduc-tance peut alors survenir avec un accroissement de le température locale par effet Joule. La stabilité des jonctions peut donc être mise en péril suivant l’intensité du champ électrique appliqué pendant la mesure de la caractéristique I(V).
Les instabilités sur la mesure du courant de la figure 2.24 (a) révèlent aussi la possible présence de contaminants. Ces contaminants peuvent être présents de fa-çon intrinsèque durant le processus de fabrication, comme dans le cas de résidus de résine de lithographie. Mais ces contaminants peuvent aussi provenir de l’environ-nement de la jonction. La présence de molécule dans l’atmosphère ambiant durant l’expérience peut entrainer une modification de la conductance, transformant ainsi la jonction tunnel en une jonction moléculaire [80, 81].
2.3.3 Mesure de la conductance des jonctions à partir des caractéristiques courant/tension
La conductance est une caractéristique importante de la jonction. Pendant l’élec-tromigration, la conductance dynamiqueGAC du nanofil est mesurée à partir de la détection synchrone. Une fois la jonction formée, il convient de vérifier si la mesure deGACreste efficace au vu du changement de conductance du circuit. La mesure du courantIACextrait par détection synchrone peut dériver si le rapport signal sur bruit devient trop faible. L’augmentation du gain du convertisseur courant/tension pour-rait éventuellement remédier à ce problème. Cependant, l’impédance d’entrée du convertisseur courant/tension varie de 50Ωà 10 kΩen fonction du gain sélectionné, ce qui change la résistance du circuit. Ces modifications d’impédance entraine ainsi une possible dérive de la lecture deGACpar rapport à la mesure de la conductance du fil autour de 0 VG|VDC=0V.
Afin de mettre en évidence cette différence, une mesure comparative de la conduc-tance est extraite de la caractéristique I(V). Pour chacune des mesures réalisées,
GAC|VDC=0V est relevée etG|VDC=0V est évaluée à l’aide d’une régression linéaire au-tour de 0 V.G|VDC=0V etGAC|VDC=0V sont ensuite comparées dans les tableaux 2.1 et 2.2. Les tableaux regroupent les données de 2 jonctions différentes, classées en fonc-tion du gain de l’amplificateur courant/tension et de la technique de mesure de la conductance.
TABLE 2.1 – Tableau comparatif de la mesure deG|VDC=0V et de GAC|VDC=0V
d’une jonction de forte conductance, pour différents gains d’amplification du courant. Gain (A.V−1) G|VDC=0V (S) GAC|VDC=0V (S) 102 4.84×10−6 5.56×10−6 103 4.82×10−6 4.76×10−6 104 4.96×10−6 4.72×10−6 105 4.47×10−6 4.35×10−6 106 4.96×10−6 4.76×10−6
TABLE 2.2 – Tableau comparatif de la mesure deG|VDC=0V et de GAC|VDC=0V
d’une jonction de faible conductance, pour différents gains d’amplification du courant. Gain (A.V−1) G|VDC=0V (S) GAC|VDC=0V (S) 104 1.06×10−11 6.41×10−8 105 4.90×10−10 5.52×10−8 106 1.56×10−10 5.46×10−8 107 1.81×10−10 5.42×10−8
Lorsque la conductance àVDC≈0 V est proche de l’ordre de grandeur deG0, ici 10−1G0pour la jonction du tableau 2.1, on remarque qu’il y a peu de différence entre
G|VDC=0V etGAC|VDC=0V. Lorsque le gain du convertisseur I/V est de 102 A.V−1, la mesure de la conductance par détection synchrone diffère d’environ 15%par rap-port à la mesure réalisée à partir de la caractéristique I(V) ( voir la figure 2.23). Pour des gains plus élevés, la différence de mesure est inférieure à 5%.
Si l’on s’intéresse maintenant à la jonction du Tableau 2.2, dont la conductance est
≈ 10−5G0, on remarque que les résultats des mesures sont très différents. Pour les gains inférieurs à 106A.V−1, les courants mesurés pour calculerG|VDC=0V sont trop faibles pour permettre d’extraire une valeur de la conductance en dehors du bruit. En effet, l’erreur associée au coefficient directeur est de l’ordre de la valeur du coef-ficient lui-même. Ce n’est qu’à partir du gain106que la mesure devient possible. En ce qui concerneGAC|VDC=0V, on remarque que la mesure varie peu, mais qu’elle est
2.3.3 Mesure de la conductance des jonctions à partir des caractéristiques courant/tension
environ 500 fois supérieure à celle réalisée en courant continue. Cette surestimation de la conductance est caractéristique des problèmes de mesures rencontrés. Lorsque le courant traversant la jonction tunnel (modulé à la fréquence de détection) devient trop faible par rapport au niveau de bruit, le signalIAC mesuré ne correspond plus au courant tunnel mais au bruit de la mesure. Ainsi, même si aucun courant réel résultant de l’application d’unVAC n’est lu, la détection synchrone fournira quand même une mesure erronée, car elle correspond à la mesure du bruit à la fréquence de détection. Le phénomène de couplage capacitif contribue entre autre au bruit de mesure. C’est pourquoi nous avons fait le choix d’écarter la mesure par détection synchrone pour caractériser la conductance des jonctions tunnels formées.
À partir du calcul de la conductance par régression linéaire, une étude statistique des jonctions fabriquées est réalisée sur l’ensemble d’un échantillon de 24 nanofils. Les différentes conductances des nanofils d’un même échantillon, électromigrés en tension continue, sont réparties dans la figure 2.25. Elles y sont triées en fonction de leur valeur par rapport àG0.
FIGURE2.25– Le diagramme représente la répartition des mesures de conduc-tance tunnels obtenues sur un même échantillon.
Environ 67 % des jonctions réalisées possèdent une conductance supérieure à 10−5 G0. Les 33%restants représentent les nanofils dont l’électromigration n’a pas été maitrisée, ou qui étaient déjà rompus avant celle-ci. Parmi les nanofils dont l’élec-tromigration contrôlée est un succès, on remarque qu’environ 25%des nanofils ont permis de réaliser des jonctions tunnel de conductance à tension nulle proche du quantum de conductance. Les courants enregistrés pour une tension de 1 V corres-pondent à quelques dizaines de microampère. Plus de 37%des jonctions réalisées sont comprises entre 10−4 G0 et 10−2 G0, avec des courants tunnel de l’ordre du na-noampère pour une tension de 1 V.
Ces données démontrent et confirment les possibilités qu’offre l’électromigration en tant que technique de création d’interstices tunnels. Les conductances mesurées étant dispersées sur 6 ordres de grandeurs, cette technique offre la possibilité d’étu-dier l’effet tunnel à des courants électriques variant du nA à quelques dizaines de
µA.