Nano-circuits métalliques quantiques élaborés par microscopie à force atomique

Metallic quantum devices made by nanolithography with an atomic force microscope

• Auteur / Autrice : Marc Faucher
• Direction : Bernard Pannetier, Vincent Bouchiat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)

Résumé

Ce travail présente la fabrication et mesure de nanocircuits métalliques quantiques obtenus par microscope à force atomique. Effectué en champ proche, la nanolithographie AFM est beaucoup moins soumise à la diffraction et aux effets de proximité limitant la résolutions des techniques de champ lointain (lithographies optiques ou électroniques). Nous avons utilisé l'anodisation locale pour l'écriture en négatif à une résolution de 20 nm sur des couches épitaxiales ultra-minces de Nb et NbN. Nous soulignons que réaliser la connexion des circuits tout en préservant la planéité atomique de la surface requiert des procédés spécifiques de microfabrication. Nous avons aussi développé des pointes AFM terminées par un nanotube de carbone (procédé parallèle CVD) pour atteindre des résolutions inférieùres à 10 nm en nanolithograpbie. L'oxydation totale ou partielle des films métal1iques conduit à des nano-constrictions 3D, et fomnissent des structures originales pour le transport électronique aux échelles mésoscopiques. Nous avons fabriqué et mesuré de 30 mK à 300 K des jonctions supraconductrices (nanoponts,SQUIDS) et des dispositifs à blocage de Coulomb (jonctions par la tranche et SETS) fonctionnant dans l'état normal du métal. Les SQUIDS sont fabriqués avec une reproductibilité qui en font un outil fiable pour le nanomagnétisme; leur modulation en courant critique montre que les dimensions des nanoponts sont de l'ordre de la longueur de cohérence. Supraconductrice (10 nm). Dans l'état normal les limites des jonctions par la trancbes sont soulignées, et la réalisation d'un SET modulant sur plusieurs nanoampères à 4K nous a conduit à proposer des systèmes modèles pour comprendre la nature du blocage de Coulomb dans des nanciconstrictions résistives.

This work deals with metal-based quantum nanodevices ade with an Atomic Force Microscope. Operated in the near field regime, the AFM nanolithography is less affected by diffraction or proximity effects that limit the resolution of far field techniques (optical and e-beam lithography). We use AFM local anodisation to negatively pattern at a 20 nm resolution Nb and NbN ultathin films (2 to 5 nm-thick) which are epitaxialy grown on sapphire. We emphasise that making the electrical connection of the devices while preserving the atomically flat surfaces requires special microstrips prefabrication processes. We also developed carbon nanotube AFM tips (CVD batch process) in order achieve nanolithography in the sub-10 nm range. Total or partial oxidation of the ultrathin films leads to 3-D nano-constrictions, and provides original structures for electrical transport studies at mesoscopic scales. We have made and measured from 30 mK both superconducting junctions (nano-bridges, DC SQUIDS) are reproducibly obtained and now constitute a reliable tool for nanomagnetism; their critical current modulation shows that bridges dimensions lies in the range of the superconducting coherence length (10nm). In the normal state, the actual limits of in-trench barriers are investigated; the achievement of a single electron transistor with nanoamps modulation at 4 K leads us to propose new model systems to understand the nature of the Coulomb blockade in resistives nanoconstrictions.