Brevet FR2823739A1 — publié le 20021025

PROCEDE DE FABRICATION DE NANOSTRUCTURES UNIDIMENSIONNELLES ET NANOSTRUCTURES OBTENUES PAR CE PROCEDE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un procédé de fabrication de nanostructures unidimensionnelles ainsi que les nanostructures obtenues par ce procédé. L' invention permet, en particulier, la fabrication de nanostructures possédant des bandes passivées ou métallisées. L' invention s 'applique notamment au domaine de la nano-électronique. Etat de la technique antérieure On connaît déjà un procédé de fabrication de nanostructures unidimensionnelles, également appelées "lignes atomiques", à la surface d'un substrat de carbure de siliclum (SiC), par le doeument suivant, auquel on se référera: [1]: Demande internationale n PCT/FR 97/02298, n de publication WO 98/27578, intitulée "Fils atomiques de grande longueur et de grande stabilité, procédé de fabrication de ces fils, application en nano électronique", invention de G. Dujardin, A. Mayne, F. Semond et P. Soukiassan. On se référera aussi au document suivant: [2]: P. Soukiassian et al., Phys. Rev. Lett. 79, 2498 (1997). B 13808.3 PV Exposé de l' invention La présente invention résout le problème de la fabrication de nanostructures unidimensionnelles ayant un état électrique prédéfini, à savoir un état électriquement isolant ou conducteur. En particulier, l' invention vise à fabriquer des structures unidimensionnelles isolantes ou conductrices, de grande longueur et de largeur à l'échelle nanométrique. La longueur de ces structures, ou bandes, est susceptible de dépasser 1 micromètre et leur largeur peut être ajustée dans une gamme allant de 1 nm à nm. De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication de nanostructures unidimensionnelles, ce procédé étant caractérisé en ce que: - on forme des lignes atomiques parallèles, à la surface d'un substrat de carbure de silicium, et - on dépose sur cette surface une matière capable d'être adsorbée de façon sélective entre les lignes atomiques, sans l'être sur ces lignes atomiques, le dépôt de cette matière engendrant ainsi, entre les lignes atomiques, des bandes de cette matière. De préférence, les lignes atomiques sont en silicium. Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé objet de l'invention, le carbure de silicium a une structure cubique et la surface est une surface du substrat de carbure de siliclum cubique. B 13808.3 PV Selon un premier mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention, la matière est choisie de façon à engendrer des bandes passivées. Dans ce cas, la matière peut être l'hydrogène ou l'oxygène ou toute autre moléaule permettant de passiver la surface sous-jacente, par exemple NO, N2O, N2, NH3 et le soufre. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l' invention, la matière est choisie de façon à engendrer des bandes électriquement conductrices. Dans ce cas, la matière est par exemple un métal. Ce métal est par exemple l'argent ou tout autre métal, par exemple l'or ou le cuivre ou un métal choisi dans le groupe des métaux alcalins ou des métaux de transition. Selon d'autres modes de mise en oeuvre particuliers du procédé objet de l'invention, la matière est formée de molécules organiques ou de molécules inorganiques. La présente invention concerne aussi les nanostructures obtenues par le procédé objet de linvention. Brève description du dessin La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description de modes de réalisation particuliers donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence à la figure unique annexée qui est une vue en coupe B 13808.3 PV schématique de nanostructures obtenues conformément à l' invention. Exposé détaillé de modes de réal i sat ion particul iers S On donne maintenant un premier exemple du procédé objet de l'invention, permettant de fabriquer des nanostructures unidimensionnelles passivées. Pour fabriquer de telles nanostructures, on utilise un substrat de silicium 2 (figure) que l'on a traité de facon que sa surface soit une surface c(4x2) sur laquelle reposent des lignes atomiques de siliclum auto-organisées 4 qui sont parallèles. On se référera au doeument [1] o l'on explique comment obtenir des chaînes rectilignes de dimères Si-Si (lignes atomiques) à la surface d'un substrat monocristallin de SiC en phase cubique p-SiC (100) que l'on a transformé pour que sa surface soit terminée 3x2 puis que l'on a convenablement reauit. Alors, par des recuits thermiques à 1100 C, on transforme cette surface de symétrie 3x2 jusquà ce qu'elle présente une organisation à l'échelle atomique (reconstruction) de symétrie c(4x2). On expose ensuite cette surface à de l'hydrogène moléculaire ultra pur à basse pression (environ 10-8 hPa), tout en maintenant la surface à température ambiante (environ 20 C). On précise que la surface est exposoe à lhydrogène moléculaire jusqu'à saturation (supérieure à 50L). Cette saturation peut être contrôlée par STM c'est-à-dire par microscopie à effet tunnel (en anglais "scanning tunneling microscopy"). B 13808.3 PV Les lignes atomiques 4 ne réagissent pas avec lhydrogène tandis que la surface sous-jacente est passivée. L'hydrogène est donc adsorbé uniquement entre les lignes atomiques et engendre ainsi, entre ces lignes atomiques, des bandes passivoes 6. I1 convient de noter que l'on peut utiliser loxygène au lieu de l'hydrogène. On donne maintenant un deuxième exemple du procédé objet de l 'invention, permettant de fabriquer des nanostructures unidimensionnelles métallisées. Ces dernières sont des bandes métalliques de largeur nanométriques qui sont réalisées sur la surface (100) dun substrat de SiC cubique. On utilise la propriété d'auto-organisation de cette surface pour former des lignes atomiques de silicium reposant sur un plan complet d'atomes de siliclum. La distance entre ces lignes peut être modulée par des recuits précis du substrat de SiC en ultravide. On dépose ensuite des atomes de potassium sur cette surface. Le potassium métallise l'espace compris entre les lignes de silicium sans métalliser les lignes elles-mêmes. On forme ainsi des bandes métalliques de largeur ajustable, qui sont séparées par des lignes atomiques. Plus précisément, la première étape de la fabrication de ces "nanobandes" métalliques consiste à préparer et à calibrer une source de potassium. La procédure à suivre est donnce ci-après. B 13808.3 PV Une source d'atomes de potassium est placée dans une chambre à ultravide et dogazée de façon très précise. La source est considérée comme suffisamment dégazée quand l 'augmentation de pression dans la chambre durant le temps nécessaire pour évaporer une monocouche de potassium ne dépasse pas 2 x 10-9 Pa. La source de potassium doit ensuite être calibrée. Toute méthade permettant de déterminer la vitesse d'évaporation des atomes de potassium peut être utilisée. Par exemple, on peut préparer une surface (100) de SiC cubique entièrement constituée d'atomes de siliclum présentant une reconstruction de type c(4x2) et étudier l'évolution de l'intensité du signal XPS issu du niveau de coeur K3p. Cette intensité augmente puis se sature lorsque la quantité de potassium est exactement égale à une monocouche. On peut également étudier en LEED (diffraction d'électrons lents) la transformation de cette surface c(4x2) en une surface 2x3 puis en une surface 2xl. Un cliché de diffraction correspondant parfaitement à une telle surface 2x3 correspond à un taux de couverture de 2/3 de monocouche. La deuxième étape est la formation de lignes atomiques de silicium à la surface du SiC. A ce suj et, on se reportera au document [1]. La procédure à suivre est donnce ci-après. a) L'échantillon de carbure de silicium cubique (3C-SiC) est placé dans une enccinte, dans laquelle règne une pression inférieure à 5 x 10-1 hPa, et B 13808.3 PV i chauffé par passage d'un courant directement dans cet échantillon, pendant plusieurs heures à 650 C puis plusieurs fois à 1100 C pendant une minute. b) A l' aide d'une source de silicium chanffée à 1300 C, on dépose sur la surface (100) du SiC cubique, plusieurs monocouches de silicium. c) Par des reauits thermiques, on évapore de façon contr81ée une partie du silicium déposé jusqu'à ce que la surface présente une organisation à l'échelle atomique (reconstruction) de symétrie 3x2. Cette synétrie de la surface peut être contr81ée par diffraction d'électrons. d) Cette surface 3x2 est constituse de lignes atomiques de silicium extrêmement denses, reposant sur une surface entièrement composée d'atomes de silicium. De nouveaux recuits permettent de diminuer la densité de ces lignes de facon contr81ée. La troisième étape consiste à déposer sur cette surface des atomes de potassium. La procédure à suivre est donnée ci-après. La surface de SiC comportant les lignes atomiques de silicium est placée à environ 3 cm de la source de potassium. On dépose alors des atomes de potassium sur la surface de SiC. Ces atomes de potassium se déposent préférentiellement entre les lignes atomiques de silicium. La quantité de siliclum à déposer doit correspondre au remplissage de l'espace situé entre les lignes. Cet espace situé entre les lignes correspond à un ordre de type c(4x2). Les inventeurs ont montré avec la technique UPS/XPS ainsi qu'avec la technique STM/STS B 13808.3 PV que, lorsque la surface est saturée de potassium, cet ordre devient 2xl et prend un caractère métallique. En revanche, les lignes de silicium ne deviennent pas métalliques, même lorsque la surface est saturée de potassium. Ainsi, même si la quantité de potassium déposée dépasse légèrement la quantité exactement souhaitée, le résultat reste acquis: les espaces situés entre les lignes forment des bandes métalliques 8 (figure) qui sont séparces par des lignes atomiques non-métalliques. Il convient de noter que l'utilisation d'autres métaux alcalins et, plus généralement, d'autres métaux, par exemple l'argent, conduisent au même résultat. De facon générale, la fabrication des nanobandes métalliques peut être réalisée avec tout adsorLat ayant les deux propriétés suivantes: l'adsorLat est adsorbé de facon sélective entre les lignes de siliclum, et - l'adsorbat entraîne la métallisation de liespace situé entre les lignes (c 'est-à-dire la métallisation de la reconstruction de type c(4x2) du SiC cubique). La présente invention niest pas limitée à l'utilisation d'hydrogène, d'oxygène ou de métaux pour la formation des nanobandes entre les lignes atomiques: on peut utiliser des matières constituées de molécules inorganiques, par exemple des halogènes (F. Cl, Br, I) ou du soufre, ou de molécules organiques, par exemple des polymères, y compris les polymères conducteurs et les polymères semiconducteurs organiques (par exemple le PCDTA ou les Thiols), des molécules de type benzone ou pentacène par exemple, et B 13808.3 PV des molécules organiques unidimensionnelles, par exemple pour faire des ponts ou des contacts. Pour le dépôt des molécules inorganiques entre les lignes atomiques, on utilise par exemple le même procédé que pour l'oxygène; on expose la surface aux molécules sous vide ou on vaporise (par exemple dans le cas de Br, S et I). Pour le dépôt des molécules organiques, on utilise par exemple un dépôt par évaporation sous vide. B 13808.3 PV REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de nanostructures unidimensionnelles, ce procédé étant caractérisé en ce que: - on forme des lignes atomiques parallèles (4), à la surface d'un substrat (2) de carture de silicium, et - on dépose sur cette surface une matière capable d'être adsorbée de façon sélective entre les lignes atomiques, sans lêtre sur ces lignes atomiques, le dépôt de cette matière engendrant ainsi, entre les lignes atomiques, des bandes (6, 8) de cette matière. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les lignes atomiques (4) sont en silicium. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le carbure de silicLum a une structure cubique et la surface est une surface (100) du substrat de carbure de silicium cubique. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la matière est choisie de façon à engendrer des bandes passivées (6). 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la matière est l'hydrogène. 6. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la matière est l'oxygène ou toute autre moléaule B 13808.3 PV permettant de passiver la surface sous-jacente, par exemple NO, N2O, N2, NH3 et le soufre. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la matière est choisie de façon à engendrer des bandes électriquement conductrices (8). 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la matière est un métal. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le métal est choisi dans le groupe des métaux alcalins ou des métaux de transition. 10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le métal est l'argent ou l'or ou le cuivre. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la matière est formée de molécules organiques, par exemple des polymères, des molécules de type beuzène ou pentacène et des molécules organiques unidimensionnelles. 12. Procédé selon l'une quelcouque des revendications 1 à 3, dans lequel la matière est formoe de molécules inorganiques, par exemple des halogènes ou du soufre. 13. Nanostructures obtenues par le procédé selon l'une quelcouque des revendications 1 à 12.