Optimisation de la mesure de travail de sortie par microscopie à sonde locale sous vide : application aux dispositifs avancés

par Lin You

Thèse de doctorat en Sciences et technologie industrielles

Sous la direction de François Bertin et de Georges Brémond.

Soutenue le 01-06-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Electronique, de Technologie et d'Instrumentation (équipe de recherche) .

Le président du jury était Ahmad Bsiesy.

Le jury était composé de François Bertin, Georges Brémond, Michel Ramonda.

Les rapporteurs étaient Abdelillah Elhdiy, Thierry Melin.


  • Résumé

    La compréhension des propriétés électriques de nano-objets est essentielle pour le développement s des nanotechnologies. La microscopie à force Kelvin (KFM) est une des techniques les plus utiles pour cartographier simultanément la topographie et la différence de potentiel de contact (CPD) à l'échelle nanométrique. Après 20 ans de développement, la KFM est principalement utilisé dans des conditions normales de pression et de température, permettant d'effectuer, de manière simple, de multiples analyses comparatives. Toutefois, sous ultra-vide (UHV), comme la surface est contrôlée et que la sensibilité est meilleure, des mesures plus précises et plus fiables sont réalisables. Dans la première partie, la mesure KFM sous atmosphère ambiante est améliorée en développant la technique simple-passage à la fois en modulation de fréquence (FM) et en modulation d'amplitude (AM). Une électronique externe Nanonis a été adaptée sur les AFMs commerciaux (Dimension 3100 et MultiMode, Bruker). Une étude comparative avec le mode Lift a été réalisée sur des couches de graphène épitaxié sur échantillon de SiC. L'effet de la distance pointe-échantillon sur le contraste et la résolution est décrit ainsi que l'influence des paramètres expérimentaux. Une amélioration significative du contraste et de la résolution est clairement observée sur les résultats obtenus par la technique simple passage en modulation de fréquence, indépendamment de la distance pointe-échantillon. Dans une deuxième partie, la technique KFM est développée sous vide secondaire. Le travail instrumental est réalisé sur un AFM EnviroScope de chez Bruker, qui a été équipé d'une électronique externe Nanonis, permettant de mesurer simultanément la topographie en mode non-contact et la CPD en modulation d'amplitude ou de fréquence. Les résultats montrent que la CPD mesurée est comparable à celle obtenue avec une mesure sous ultravide. Enfin, après avoir posé les bases à la fois expérimentale et théorique de la KFM, cette technique est utilisée pour caractériser les hétérostructures CdTe/CdS en films minces utilisés pour les applications de cellules solaires. Un protocole de préparation d'échantillon sur la tranche a été spécialement développé. L'hétérojonction CdTe/CdS est étudiée sous polarisation à la fois dans l'obscurité et sous éclairement. L'influence de l'épaisseur de la couche de CdS est également étudiée pour comprendre son effet dramatique sur le rendement des cellules solaires.

  • Titre traduit

    Optimization of the work function measurement by local probe microscopy under vacuum : application to advanced devices


  • Résumé

    The development of nanoscience makes the understanding of the electrical properties of nano-objects essential. The Kelvin Force Microscopy (KFM) is one of the most useful techniques to map at the nanoscale and simultaneously both the topography and contact potential difference (CPD). After 20 years of development, KFM is mainly operated under air at normal pressure, allowing to perform, in an easy way, multiple comparative analyses. However, under UHV, as the surface is controlled and the sensitivity improved, more accurate and reliable measurements can be achieved. In the first part, KFM under ambient atmosphere is improved by developing the single-scan method using either a frequency modulation (FM) or an amplitude modulation (AM) mode. An external Nanonis electronic has been implemented on commercial AFMs (Dimension 3100 and MultiMode, Bruker). A comparative study with the common Lift-mode is done by imaging epitaxial graphene layers on SiC sample. The tip-sample separation effect on the CPD contrast and resolution is described as well as experimental settings. It is shown that higher contrasts are obtained using single-scan frequency modulation KFM regardless the tip-sample operating distance. In a second part, the KFM technique under secondary vacuum is developed. The instrumental work is carried out with an EnviroScope AFM from Bruker. We outfitted our Veeco's AFMs with an external Nanonis electronic to perform simultaneously the acquisition of topography and CPD using either the amplitude or the frequency modulation mode. The upgrade of the electronic has raised compatibility issues. Our results show that the comparable results are obtained with KFM under UHV. Finally, having laid down both the experimental and theoretical groundwork of the KFM, this technique is used to characterize CdTe/CdS heterostructures used in thin films solar cell application. A protocol for the cross section sample preparation has been specifically developed. The CdTe/CdS heterojunction is studied under polarization both in dark and under illumination. The influence of the CdS layer thickness is also studied to understand its dramatic effect on the solar cell efficiency.


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