Nanostructuration par séparation de phase dans les monocouches binaires d'alkyltrichlorosilanes de grande longueur sur silicium

par Simon Desbief

Thèse de doctorat en Physique, modélisation et sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Dominique Vuillaume.


  • Résumé

    Au cours de ce travail, nous avons étudié la croissance de monocouches auto-assemblées d'alkyltrichlorosilanes de grande longueur ( 16, 18, 20 et 30 atomes de carbone dans la chaîne alkyle ) à diverses conditions de température et d'humidité relative ( HR ). Les analyses par AFM, ellipsométrie et les mesures d'angles de contact nous ont permis de proposer un modèle de comportement de ces molécules selon les conditions de dépôt. Il apparaît ainsi que les C30 à 20°C et 40% HR croissent de manière similaire aux C16, C18 et C20 à 11°C et 40% HR. De plus, nous avons pu voir que le coefficient de diffusion des molécules augmente avec l'humidité relative, et diminue avec la température. Une autre point important est que le temps caractéristique de croissance diminue lorsque le nombre d'atomes de carbone de la chaîne alkyle augmente, sauf pour les C30. L'étude du comportement des molécules seules était nécessaire à la compréhension des résultats obtenus pour les monocouches mixtes. Nous avons ainsi étudié la démixtion des C30 avec les C16, C18 et C20 en fonction des paramètres de dépôt. Outre la séparation de phase " classique " par îlots de C30 dans une phase de molécules courtes, nous avons, dans certains cas, observé une démixtion sous forme de " filaments " dendritiques de C30 dans une phase de molécules courtes, quel que soit le couple de molécules étudié. Les monocouches mixtes C30/C18 et C30/C20, présentent également des trous de molécules courtes dans une phase de C30, ce qui est possible car les deux molécules croissent par îlots. Ces études nous ont permis de montrer que, pour les monocouches présentant des îlots ou des trous, la composition des monocouches mixtes ( Rsam ) réalisées à basse humidité ( 20% HR ) reflète celle de la solution de silanisation ( Rsol ) et que pour les monocouches réalisées à haute humidité ( 40% HR ) Rsam est toujours inférieur à Rsol. En revanche, pour les monocouches présentant des filaments, quelles que soient les conditions, Rsam est indépendant de Rsol. En se basant sur le modèle de croissance DLA ( Agrégation Limitée par la Diffusion ), il apparaît que la croissance des monocouches à haute humidité est dictée principalement par le coefficient de diffusion des molécules sur la surface, tandis qu'à basse humidité c'est le taux de dépôt des molécules à partir de la solution qui prime. Afin de pouvoir utiliser ces structures pour la fabrication de composants nanométriques, des études complémentaires sont nécessaires. Il faut en effet notamment comprendre les mécanismes menant à la formation d'îlots, de filaments et de trous dans les monocouches afin de pouvoir contrôler efficacement la séparation de phase

  • Titre traduit

    Nanostructuration by phase separation in binary monolayers of long alkyltrichlorosilanes on silicon


  • Résumé

    During this work, we have studied the growth of long chain alkyltrichlorosilane self-assembled monolayers ( 16, 18, 20 and 30 carbon atoms chains ) at several temperature and relative humidity ( RH ) conditions. With AFM analysis, ellipsometry, and contact angle measurements, we could build a model of the behaviour of the molecules according to the deposition conditions. Thus we have shown that the C30 behaviour at 20°C and 40% RH is similar to that of C16, C18 and C20 at 11°C and 40% RH. We also saw that the molecules diffusion coefficient increased with relative humidity, and decreased with temperature. Another important result is that the growth characteristic time decreases when the number of carbon atoms increases in the alkyl chain except for C30. Studying the behaviour of those molecules was necessary in order to understand the results we obtained for binary monolayers. We have thus studied the demixtion between C30 and C16, C18, C20 according to the deposition parameters. In addition to the classical phase separation by islands of C30 in a surrounding phase of shorter molecules, we observed a demixtion involving dendritic “filaments” of C30 in a shorter molecules phase, regardless the couple of molecules studied. A third sort of phase separation also appears in the case of C30/C18 and C30/C20 : formation of holes of the shorter molecule in a surrounding phase of C30. We could obtain such a demixtion by working below the critical temperatures of the molecules. We have then seen, in the case of monolayers that phase separate by islands or holes, that the composition of binary monolayers ( Rsam ) realised at low humidity ( 20% RH ) was close to the one of the silanisation solution ( Rsol ) and concerning monolayers synthesized at high humidity ( 40% RH ) we note that Rsam is always lower than Rsol. On the other hand, concerning filaments we observed that, regardless the deposition conditions, Rsam does not depend on Rsol. Considering DLA ( Diffusion Limited Aggregation ) growth model, we found that at high humidity the monolayer growth is mainly driven by the diffusion coefficient, while at low humidity the deposition rate from solution is the leading parameter of the growth. In order to use those structures to build nanometric devices, some complementary studies are necessary. We must understand which mechanisms lead to the formation of islands, filaments and holes, in order to control efficiently the phase separation

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Informations

  • Détails : 1 vol. (215 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliographies en fin d'introduction et de chapitre

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  • Bibliothèque : Université d'Aix-Marseille (Marseille. St Charles). Service commun de la documentation. Bibliothèque universitaire de sciences lettres et sciences humaines.
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