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Electronique moléculaire avec les matériaux organiques
C.Pasquier
Laboratoire de Physique des Solides, ORSAYhttp://www.lps.u-psud.fr/Collectif/gr_21
Un peu de physique : Pourquoi utiliser ce type de matériaux (en particulier les doper) ?
Comment faire ?
. Les spécificités des matériaux organiques
. Ce qu’on sait faire…
. Help !!!!
C.P., GDR Mésoscopie22/05/2003
Pourquoi faire de l ’effet de champ….(I)
C.P., GDR Mésoscopie22/05/2003
3) Énergie de corrélation :
Systèmes à fermions corrélés
(organiques, cuprates)matériaux AsGa, Si,SiGe SC organiques
m* 0,067->0,3 ≤1 1 à 6
densité Surfacique : ≈1011cm-2 ‘Surfacique’ : ≈1014cm-2
1) Température :kBT kBT
2) Énergie cinétique :
ta, tb, tc
UVc =e2/εa ∝ ns1/2
VQ=h2/ma2 ∝ ns
Echelles d’énergie
Pourquoi faire de l ’effet de champ….(II)
Systèmes à fermions corrélés(sels à transfert de charges, cuprates)
C.P., GDR Mésoscopie22/05/2003
SC organiquesAsGa, Si,...
Pressure
SDW
SCSDW+
SC
(TMTSF)2X
1 kbar
Pressure
T
AFSCAF/SC
Ins.
MI
0.3 kbar
κ-(ET)2XDop
age
Dopag
e
Temperature
ns∝ rs-2
GaAs, Si
IsolantMétal
Insu
lato
r
Metal
Magnetic Field
ns
IQHE
FQHE
Pourquoi faire de l ’effet de champ….(III)
Silicium
Temperature
ns∝ rs-2Isolant
Métal
GaAs, Si
(TMTSF)2PF6 : ODS
Temperature
ODS Métal
Supraconductivité???comme en volume sous pression???
?GE2D
ns
C.P., GDR Mésoscopie22/05/2003
Pourquoi faire de l ’effet de champ….(IV)
Le libre parcours moyen à basse température est grand !!!!!(dans les monocristaux de sels à transferts de charges)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
T=1.5K
180°0° 90°
κ-(BEDT-TTF)2I3
10 T
6 T
5 T
4 T
3 T
2 T
////
1 T
Res
ista
nce
(Ohm
s)
Angle
112 ..00010 −−≤ sVcmµ
lle e ≈≈ 0,1 0,1 àà >10>10µµmm
C.P., GDR Mésoscopie22/05/2003
Les spécificités des matériaux moléculaires…‘ Çà pousse comment? ’(I)
Les semiconducteurs organiques (thiophènes, acènes…):. En phase vapeur, par sublimation et cristallisations successives pour les purifier. En couches minces, par évaporation sous ultra-vide, voire ‘ spin-coating ’
Thiophènes,D.Fichou, CEA
M.Goffman LPS/SPEC/SCM
Molécules neutres de baseJ.Fraxedas, ICMAB, Barcelone
C.P., GDR Mésoscopie22/05/2003
Les sels à transferts de charge ((TMTSF)2X, κ-(BEDT-TTF)2X…):. Par électrocristallisation. En couches minces : ???? évaporation => dissociation, on perd l ’aspect ‘ sel ’ sauf pour X=I
L ’avenir : électrocristallisation confinée
cristallite
Électrode métallique
I
I’
En cours de développement
Les spécificités des matériaux moléculaires…‘ Çà pousse comment? ’(II)
Help ! C.P., GDR Mésoscopie22/05/2003
Les spécificités des matériaux moléculaires…‘Faire un transistor à effet de champ’ (I)
2 stratégies : La lithographie ‘ directe ’ ou la lithographie ‘ inversée ’La lithographie ‘La lithographie ‘ directedirecte ’’
Al2O3
Aluminium
organique
Qualité de surface!!!!
Les sels à transfert de charge ne supportent :ni les solvants, ni la chaleur, ni l ’irradiation (le diminue)
et se clivent ‘ très mal ’Pour les semiconducteurs organiques, c ’est un peu mieux...
C.P., GDR Mésoscopie22/05/2003
Les spécificités des matériaux moléculaires…‘Faire un transistor à effet de champ’ (II)
La lithographie ‘La lithographie ‘ inverséeinversée ’’
AluminiumAl2O3
Silicium
organique
Micro-monocristaldéposé
Couche mince évaporée
Couche mince synthétisée in-situ
C.P., GDR Mésoscopie22/05/2003
Les spécificités des matériaux moléculaires…‘Faire un transistor à effet de champ’ (III)
Ce que je sais faire et peux faire...Ce que je sais faire et peux faire...
AluminiumAl2O3
Silicium
Pulvérisation rf, avec basse pression gaz Argon/Oxygènevitesse de dépôt 1nm/mn (durée de dépôt 100 minutes /50-100nm)
champ de claquage 4-8MV/cm @ 300K (>80%)Ifuite=2 nA @300K et @4MV/cm
au SPEC, au LPS d’ici un moisC.P., GDR Mésoscopie
22/05/2003
Les spécificités des matériaux moléculaires…‘Faire un transistor à effet de champ’ (IV)
Ce que je sais faire et peux faire...Ce que je sais faire et peux faire...
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 501E-12
1E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-30,0 0,8 1,7 2,5 3,3 4,2 5,0 5,8 6,7 7,5 8,3
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
0,1
F
G
P=69W
D
(Si/SiO2)/Al(100nm)/Al2O3(60nm)/Ag
C
AB
A: PAr= 24.8µb, PO2
= 4.8µbB: PAr= 23.5µb, PO2
= 0C: PAr= 29.6µb, PO2
= 0D: PAr= 26µb, PO2
= 4µb, PN2
= 3µbF: PAr= 20.2µb, PO2
= 8µbG: PAr= 24.5µb, PO2
= 11µb
Cur
rent
den
sity
(A/c
m2 )
Electric Field (MV/cm)Le
akag
e Cu
rren
t (A)
Gate Voltage (V)
5 MV/cm<=> 1013 e/cm2 !!!!C.P., GDR Mésoscopie
22/05/2003
Les spécificités des matériaux moléculaires…‘Faire un transistor à effet de champ’ (V)
Ce que j’aimerais bien faire...Ce que j’aimerais bien faire...
AluminiumAl2O3
Silicium
Distance entre Source et Drain relativement faibles <1-10 µm, contacts étroits mais surélevés (en partie) par rapport à l’alumine :
champs de claquage encore améliorés (‘conditions Schön’)
PMMA ou?
Al2O3 (PMMA éventuellement)
C.P., GDR Mésoscopie22/05/2003
La physique des gaz bidimensionnels d’électrons :diagramme de phase (ns,T)
VQ=h2/ma2 ∝nsVc =e2/εa∝ns1/2
ns∝ rs-2
Fusion classiqueFusion quantique
Wigner Solid
Temperature
GaAs, Si4He
nW
Limite classique :
kBT
sWQ
c rVV
== 37Limite quantique :
137=Γ=fusionB
c
TkV
"10.8:)("
10.8:
10.2:
10.2:
10.8:
21262
212
28
29
2124
−
−
−
−
−
=
=
=
=
=
cmnPFTMTSF
cmntétracène
cmnGaAs
cmnSi
cmnHe
W
W
W
W
W
G.Deville, J.Low Temp. Phys., 72, 135 (1988)
!?
Aspects techniques :2. Et maintenant, mettons des organiques…
couche mince évaporée
Thiophènes : α-6T (D.Fichou, CEA) TFT 6T #3
0 5 10 15 200
50
100
150
TFT1 dev # 3
I DS ( nA )
VDS ( V )
-VG (V)
0 1 2 5 10 15
0 5 10 15 20 25
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
L= 50µmW = 1000µm
Ci = 77.4nF / cm
2
µ = 3.5 10-4 cm
2 / V.sec
(108 I SDsat ) 1
/2 ( A1/2 )
-VG (V)
Existence d’un gaz 2D
Aspects techniques :2. Et maintenant, mettons des organiques…
couche mince synthétisée in-situA.Deluzet et al, Adv.Func. Mat., 123 (2002)S.Perruchas, A.Deluzet, P.Batail, Université d’Angers
-0.14
-0.12
-0.1
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
0 5 10 15 20 25 30
SPCM32 K-Br
χT(K)
Tc=11K
Couche mince de κ-(ET)2Cu[N(CN)2]BrCouche mince de (ET)3[Cu2(NCS)3]
Aspects techniques :1. Réalisation d’une couche d’alumine :
aspect de la couche d ’alumine
Rugosité de surface 5-7Å (AFM@ ESPCI, ENS)
C.P. et al, en préparation
Aspects techniques :1. Réalisation d’une couche d’alumine : structure de la couche d ’alumine (EDS)
Cu!!! Ar
Al2O3
C.P. et al, en préparation
Quelle physique pour quelle densité?Sels à transferts de charges 2:1
nvolumique≈1021cm-3 , nsurfacique ≈1014 cm-2
0 10 20 30 40 50 60 70 80
1
10
100
1000
Tρ (∆
ρ )
Br
ClO
4
PF6X = BF4
PF6
Tem
pera
ture
(K)
(TMTTF)2 X
M-H
Pressure (kbar)
SC
METAL
AF SDWSP
(TMTSF)2 X
Transition isolant->métal ??
∆n=1011cm-2=1‰dans les régimes métalliques
=> aucun effet
∆n=1011cm-2=100%dans les régimes isolants :
transition isolant->métal
Quelle physique pour quelle densité?Effets de champ : Cristal de Wigner / Isolant de Mott
Gap de corrélation U
Gap de corrélation U
U
∆
Pic quasiparticules
4t(Pression)
????
« Image semiconducteur »
M-I-S
Gap du semiconducteur
OU BIEN
E
x
Quelle physique pour quelle densité?Il y a plusieurs transitions Isolant-métal dans les organiques
0 10 20 30 40 50 60 70 80
1
10
100
1000
Tρ (∆
ρ )
Br ClO
4
PF6X = BF4
PF6
Tempe
rature
(K)
(TMTTF)2 X
M-H
Pressure (kbar)
SC
METAL
AF SDWSP
(TMTSF)2 X
Tem
péra
ture
Pression
AF
SC
MI M
SC
I κ-(BEDT-TTF)2X
Transition AF->metal (coexistence)
Transition AF->SC (coexistence)
Transition Isolant de Mott -> Metal
Quelle physique pour quelle densité?Il n’y a pas que les organiques…
Groupe C.C.Tsuei, IBM Yorktown
(YBaCuO)D.M.News et al, Appl. Phys. Lett., 73, 780 (1998)
F.P.Milliken et al, PRB, 62, 9143 (2000)
Groupe J.M.Triscone,Univ. Geneve
(PZT/GdBaCuO/PBCO)C.H.Ahn et al, Science, 284, 1152 (1999)