ACTIVITES DE RECHERCHE

Nanofabrication

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En utilisant des méthodes de fabrication basées sur des techniques d’auto-assemblage et d’auto-organisation, nous construisons des objets et des ensembles d’objets, dont les dimensions sont limitées à l’échelle nanométrique dans une, deux ou les trois dimensions de l’espace. Notre défi consiste à trouver des lois qui permettent de parfaitement contrôler la croissance de ces objets pour obtenir des structures cristallines avec un caractère métallique ou semi-conducteur.  Ces objets, réalisés à partir de matériaux inorganiques et organiques doivent pouvoir ensuite être insérés dans des dispositifs électroniques et opto-électroniques. A titre d’exemple, nous fabriquons des nanofils en silicium à partir de catalyseurs métalliques (photo ci-contre), des nanocristaux également appelés boîtes quantiques et des films ultraminces dont l’épaisseur ne dépasse pas quelques plans atomiques. Certaines techniques de fabrication font appel à des notions de chimie ou de biologie, qui nécessitent un travail interdisciplinaire mené conjointement avec d’autres équipes de recherche lilloises.

 

 

Propriétés électroniques et vibrationnelles des nanomatériaux

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En raison de la taille réduite des objets à l’échelle nanométrique, leur structure électronique est fortement modifiée par rapport à celle des matériaux massifs.  Ils possèdent des états électroniques qui peuvent être discrets lorsque les électrons sont confinés dans les trois dimensions spatiales, cas des boîtes quantiques par exemple. Cette quantification de la densité d’états altère le transport au travers de telles structures et nous nous intéressons à comprendre les mécanismes physiques qui gouvernent le transfert des électrons en étudiant les effets coulombiens, le couplage de l’électron avec des excitations vibrationnelles, le couplage de l’objet avec son environnement,…. A cet effet, nous tirons parti de la grande résolution spatiale et spectrale des microscopes à champ proche, en particulier du microscope à effet tunnel utilisé en ultravide et à basses températures, qui permet d’observer des nanostructures individuelles et de caractériser à la fois la structure électronique et le transport au travers d’une seule nanostructure. A titre d’exemple, l’image ci-dessus montre une boîte quantique d’InAs clivée en son milieu ainsi que la probabilité de présence de l’électron sur le niveau fondamental (état s, image du milieu) et le premier état excité dans la boîte (état p, image de droite).

Ce thème est également motivé par des applications, notamment pour l’information quantique. Nous réalisons ainsi des dispositifs pour étudier, à basses températures, les propriétés de cohérence des excitations électroniques de nanostructures et  tenter de contrôler le transfert d’électron un par un au travers de ces objets. L’image ci-dessous montre une structure type constituée d’un nanofil de silicium unique connecté par quatre électrodes.

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Développements instrumentaux

them4Pour continuellement progresser au niveau de notre compréhension de la physique des matériaux à l’échelle nanométrique, il nous paraît essentiel de développer des outils à la pointe des avancées en matière de caractérisation des nanostructures. Ainsi, depuis le début des années 90, nous avons travaillé avec les fabricants de microscope à champ proche ou construit nous-mêmes de tels microscopes. Dans les années 2000,nous avons souhaité aller au-delà d’une simple observation et tenter de connecter les nanoobjets pour apprendre à contrôler leur conductivité électrique et thermique, leur absorption ou émission de lumière. Cette motivation a conduit à la construction d’un système unique combinant microscopie électronique à balayage et plateforme de microscopie à effet tunnel à pointes multiples. Cet effort a été récompensé par les projets d’investissements d’avenir (PIA Equipex Excelsior), qui permet aujourd’hui le développement de techniques combinant le champ proche avec la spectroscopie optique résolue en temps. Ces systèmes constituent la plateforme microscopie à champ proche de l’IEMN et sont accessibles à la communauté scientifique pour des caractérisations ponctuelles.