Patterning and characterization of graphene nano-ribbon by electron beam induced etching

Autor: Linas, Sébastien
Přispěvatelé: Groupe NanoSciences (CEMES-GNS), Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES), Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Paul Sabatier - Toulouse III, Erik Dujardin(erik.dujardin@cemes.fr), COMOSYEL, Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT-FR 2599), Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2012
Předmět:
Zdroj: Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Université Paul Sabatier-Toulouse III, 2012. English. ⟨NNT : 2012TOU30323⟩
Popis: Graphene is one of the most promising candidates to build fu ture electronic devices. Its pecu liar electronic properties derive from its atomic structure and are character ized by a two-dimensional electron gas at macroscopic scale and molecular states at the nanometer scale. This thesis work aims at patterning graphene monolayer over this entire range of length scales to produce arbitrarily shaped graphene nanoribbons (GNR) continuously connected to graphene pads. The three main objec- tives consist in (i) producing, contacting and patterning graphene monolayer down to features size of about 10 nm for a ribbon length of several hundreds of nanometers, (ii) inte grating all steps while minimizing contamination to ultimately reach UHV-compatible samples and (iii) etching GNRs while preserving the high crystallinity of graphene and minimizing its amorphization. The first part will focus on the characterization of the gr aphene monolayer itself by ambient AFM topography and Raman spectroscopy. We show that these techniques suffer from a poor reproducibility of the height measurement and a limited sensitivity to low defect density. However, the source of AFM instabilities is identified as the presence of a water meniscus. Stable operating conditions are found and yield reproducible hei ght measurements. In order to enhance the Raman signal of defects in graphene, we investigate the in tensity evolution near crys talline gold nanorods placed close to graphene edges. The second part describes in detail how GNR can be etched directly in graphene using a low energy (1-20 keV) electron beam in the presence of water vapor. We show that electron beam induced etching (EBIE) can produce < 20 nm-wide GNRs with length of hundreds of nanometers or micrometer-long trenches to isolate the GNR form the graphene sheet. A particu- lar attention is paid to the characteriza tion of the structural quality of the GNR e dges. A spherical aberration corrected TEM analysis demonstrates that the graphene lattice is intact at less than 2 nm from the EBIE-cut edges. The last part is dedicated to the application of our promising EBIE method to the fabrication of contacted GNR electronic field-effect devices. We show that graphene devices supporte d on silica are significantly am orphized by backscattered elec- trons. A new design of devices made of locally suspended graphene is proposed and makes it possible to produce GNRs (typically 30x200 nm) connected to el ectrodes on a back-gated substrate. This work opens the way to electrical transport measurements of GNR and, beyond, GNR-based complex structures and constitutes the first step towards an integrated atomic technology of molecular graphene devices.; Le graphène est l'un des candidats les plus prometteurs pour la fabrication des futurs dispositifs électroniques. Ses remarquables propriétés électroniques découlent de sa structure atomique et sont caractérisés par un gaz bidimensionnel d'électrons à l'échelle macroscopique et des états moléculaires à l'échelle nanométrique. Cette thèse a pour but de structurer le graphène sur une large gamme d'échelle de longueurs pour produire des nano rubans de graphène (GNR) connectés à des électrodes de graphène. Les trois principaux objectifs sont (i) produire, contacter et structurer des GNR jusqu'à une largeur de 10 nm et une longueur de plusieurs centaines de nanomètres, (ii) planifier toutes les étapes de ce processus tout en minimisant la contamination pour obtenir, à terme, des échantillons compatibles avec l'ultravide et (iii) graver des GNRs tout en préservant la qualité cristallographique du graphène et minimisant son amorphisation. La première partie est dédiée à la caractérisation du graphène monocouche par des analyses topographiques AFM et spectroscopiques Raman. Nous montrons que ces techniques sont limitées, l'une, par une faible reproductibilité de la mesure de la hauteur apparente et l'autre, par une faible sensibilité aux défauts peu denses. Cependant, l'origine de l'instabilité de la mesure AFM a été identifiée comme résultant de la présence d'un ménisque d'eau. Des conditions de fonctionnement stable ont été trouvées et conduisent à des mesures de hauteur apparente reproductibles. Pour augmenter le signal Raman dû aux défauts dans le graphène, nous avons suivi l'évolution de l'intensité du signal dans le voisinage de nano-bâtonnets d'or cristallins placés près des bords du graphène. Une seconde partie décrit en détail comment nous avons directement gravé des GNR dans le graphène en utilisant un faisceau électronique de faible énergie (1-20 keV) en présence de vapeur d'eau. Nous montrons que la gravure induite par un faisceau électronique (EBIE) produit des GNRs de moins de 20 nm de large et longs de plusieurs centaines de nanomètres ou des tranchées longues de plusieurs micromètres permettant d'isoler un GNR du feuillet de graphène. Une attention particulière a été portée à la caractérisation de la qualité structurale des bords des GNR. La microscopie électronique en transmission avec correcteur d'aberrations montre que le graphène est intact à moins de 2 nm d'un bord de découpe EBIE. La dernière partie est dédiée à l'application de cette technique EBIE prometteuse pour fabriquer des GNR contactés électriquement dans un dispositif à effet de champ. Nous montrons que des dispositifs de graphène sur silice sont amorphisés de manière significative par des électrons rétrodiffusés. Un nouveau dispositif a été conçu et réalisé qui consiste à suspendre localement le graphène et a permis de fabriquer des GNR (typiquement 30x200 nm) connectés par des électrodes sur un substrat possédant une grille arrière. Ce travail ouvre la voie pour la mesure de transport électronique dans des GNR et, au-delà sur des structures plus complexes basées sur les GNRs. Il constitue la première étape vers une technologie atomique intégrée pour des dispositifs d'électronique moléculaire à base de graphène.
Databáze: OpenAIRE
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