Étude des propriétés physiques de nanofils individuels de carbure de silicium par émission de champ

par May Choueib

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Stephen Thomas Purcell.

Le président du jury était Philippe Miele.

Le jury était composé de David-Jacques Cornu, Pierre Legagneux, Anthony Ayari.

Les rapporteurs étaient Jean Dijon, Didier Pribat.


  • Résumé

    Ce travail s’inscrit dans le cadre de la caractérisation physique de nanofils (NF) semiconducteurs (SC) qui est un domaine en plein essor ces dernières années. Plus précisément, nous explorons l’émission de champ (EC) de NFs individuels de Carbure de Silicium (SiC) pour leur potentialité comme source d'électrons, mais surtout pour étudier leurs propriétés de transport électrique, optiques et mécaniques.Le rôle important joué par la surface dans ces NFs a été prouvé par des traitements in situ qui ont eu des conséquences radicales sur l’EC dévoilant ainsi des propriétés d’émission propres aux SCs. En particulier, un régime de saturation, en accord avec la théorie d’EC des SCs, associé à une forte dépendance de l'émission à la température et à l’illumination laser a été révélé pour la première fois pour un NF. Ces mesures ouvrent des perspectives importantes tant pour la recherche fondamentale que pour les applications telles que la réalisation de photocathodes et de sources d’électrons pilotées optiquement ou par la température. Les caractéristiques courant-tension-température associées à l’analyse en énergie des électrons émis nous ont permis de déterminer le mécanisme de transport dans ces NFs, qui est limité par le nombre de porteurs dans le volume et contrôlé par les pièges présents dans la bande interdite par l’effet Poole-Frenkel. Finalement, la caractérisation mécanique a révélé des valeurs du facteur de qualité élevé (160000) et du module de Young allant jusqu’à 700GPa. Ces valeurs sont très prometteuses pour l’utilisation de ces NFs dans les systèmes nano-électro-mécaniques et dans les composites.

  • Titre traduit

    Studies of the physical properties of individual silicon carbide nanowires by field emission


  • Résumé

    We use field emission (FE) from individual silicon carbide nanowires (NWs) to explore their potential as electron sources, and especially as a versatile tool for studying transport, optical and mechanical properties of NWs. These studies fall within the larger framework of the physics of semiconducting (SC) nanowires, which is presently a large and rapidly expanding domain. The important role played by the surface in the transport and optical properties of NWs was clearly demonstrated by the radical consequences induced by in situ treatments on the FE properties. This permitted the observation of the specific behavior expected for SCs, particularly, a current saturation regime in agreement with the theory of FE for SCs. We found that the saturation was concomitant with a strong dependence of the emission on temperature and laser illumination, revealed for the first time for a NF. These measurements open important perspectives for both fundamental research and applications such as the realization of optically or thermally controlled FE electron sources. The current-voltage-temperature characteristics were carried out in parallel with measurement of the energy distributions of the emitted electrons, thus permitting the determination of the transport mechanism in the NWs. We found that the transport was limited by the carrier density in the volume and by the traps in the gap that generate current through the Poole-Frenkel effect. Finally, the mechanical characterization revealed high quality factors, as high as 160,000, and a Young’s modulus up to 700 GPa. These values are very promising for the use of these NWs in nano-electro-mechanical systems (NEMS) and composites.


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