Electronique moléculaire avec les matériaux organiques. C.Pasquier Laboratoire de Physique des Solides, ORSAY

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1 Electronique moléculaire avec les matériaux organiques C.Pasquier Laboratoire de Physique des Solides, ORSAY 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 Mésoscopie 22/05/2003

2 Structure des systèmes à fermions corrélés 1Ds 2Ds cuprates k y k y k y kx k x k x

3 matériaux Pourquoi faire de l effet de champ.(i) AsGa, Si,SiGe SC organiques Systèmes à fermions corrélés (organiques, cuprates) m* 0,067->0,3 1 1 à 6 densité Surfacique : cm -2 Surfacique : cm -2 Echelles d énergie k B T V Q =h 2 /ma 2 n s V c =e 2 /εa n s 1/2 1) Température : 2) Énergie cinétique : 3) Énergie de corrélation : k B T t a, t b, t c U C.P., GDR Mésoscopie 22/05/2003

4 Pourquoi faire de l effet de champ.(ii) AsGa, Si,... SC organiques Systèmes à fermions corrélés (sels à transfert de charges, cuprates) Temperature (TMTSF) 2 X Isolant Magnetic Field Métal GaAs, Si n s r s -2 Dopage T SDW SDW + SC 1 kbar Ins. SC Pressure κ-(et) 2 X Insulator FQHE IQHE Metal Dopage MI AF AF/SC 0.3 kbar SC Pressure n s C.P., GDR Mésoscopie 22/05/2003

5 Pourquoi faire de l effet de champ.(iii) Temperature Silicium Isolant Métal n s r s -2 GaAs, Si GE2D Temperature? (TMTSF) 2 PF 6 : ODS ODS Métal n s Supraconductivité??? comme en volume sous pression??? C.P., GDR Mésoscopie 22/05/2003

6 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) // κ-(bedt-ttf) 2 I 3 T=1.5K // 10 T l e 0,1 à >10µm µ 10000cm 2. V 1. s 1 Resistance (Ohms) T 5 T 4 T 3 T 2 T 1 T Angle C.P., GDR Mésoscopie 22/05/2003

7 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 base J.Fraxedas, ICMAB, Barcelone C.P., GDR Mésoscopie 22/05/2003

8 Les spécificités des matériaux moléculaires Çà pousse comment? (II) Les sels à transferts de charge ((TMTSF) 2 X, κ-(bedt-ttf) 2 X ):. Par électrocristallisation. En couches minces :???? évaporation => dissociation, on perd l aspect sel sauf pour X=I L avenir : électrocristallisation confinée I I Électrode métallique cristallite En cours de développement Help! C.P., GDR Mésoscopie 22/05/2003

9 Les spécificités des matériaux moléculaires Faire un transistor à effet de champ (I) 2 stratégies : La lithographie directe ou la lithographie inversée La lithographie directe Aluminium Al 2 O 3 Qualité de surface!!!! organique Les sels à transfert de charge ne supportent : ni les solvants, ni la chaleur, ni l irradiation (l e diminue) et se clivent très mal Pour les semiconducteurs organiques, c est un peu mieux... C.P., GDR Mésoscopie 22/05/2003

10 Les spécificités des matériaux moléculaires Faire un transistor à effet de champ (II) La lithographie inversée Micro-monocristal déposé Couche mince évaporée organique Couche mince synthétisée in-situ Al 2 O 3 Aluminium Silicium C.P., GDR Mésoscopie 22/05/2003

11 Les spécificités des matériaux moléculaires Faire un transistor à effet de champ (III) Ce que je sais faire et peux faire... Al 2 O 3 Aluminium Silicium Pulvérisation rf, avec basse pression gaz Argon/Oxygène vitesse de dépôt 1nm/mn (durée de dépôt 100 minutes /50-100nm) champ de claquage 300K (>80%) I fuite =2 au SPEC, au LPS d ici un mois C.P., GDR Mésoscopie 22/05/2003

12 Les spécificités des matériaux moléculaires Faire un transistor à effet de champ (IV) Leakage Current (A) 1E-4 1E-5 1E-6 1E-7 1E-8 1E-9 1E-10 Ce que je sais faire et peux faire... 0,0 0,8 1,7 2,5 3,3 4,2 5,0 5,8 6,7 7,5 8,3 1E-3 0,1 A: P Ar = 24.8µb, P O2 = 4.8µb B: P Ar = 23.5µb, P O2 = 0 C: P Ar = 29.6µb, P O2 = 0 D: P Ar = 26µb, P O2 = 4µb, P N2 = 3µb F: P Ar = 20.2µb, P O2 = 8µb G: P Ar = 24.5µb, P O2 = 11µb Electric Field (MV/cm) G F C D B A P=69W 0,01 1E-3 1E-4 1E-5 1E-6 1E-7 1E-8 Current density (A/cm 2 ) 1E-11 1E-9 (Si/SiO 2 )/Al(100nm)/Al 2 O 3 (60nm)/Ag 1E-12 1E Gate Voltage (V) 5 MV/cm<=> e/cm 2!!!! C.P., GDR Mésoscopie 22/05/2003

13 Les spécificités des matériaux moléculaires Faire un transistor à effet de champ (V) Ce que j aimerais bien faire... Al 2 O 3 Aluminium 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? Al 2 O 3 (PMMA éventuellement) C.P., GDR Mésoscopie 22/05/2003

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15 La physique des gaz bidimensionnels d électrons : diagramme de phase (n s,t) V c =e 2 /εa n s 1/2 V Q =h 2 /ma 2 n s k B T Temperature Fusion classique n W Fusion quantique Wigner Solid n s r s -2 k Limite classique : B V T c fusion = Γ =137 4 He G.Deville, J.Low Temp. Phys., 72, 135 (1988) GaAs, Si Limite quantique : "( TMTSF) He : n Si: n GaAs: n tétracène: n V V W W W W PF : n W c Q = 37 = = 8.10 = = 8.10 = = 2.10 cm cm cm cm cm r " sw!?

16 Aspects techniques : 2. Et maintenant, mettons des organiques couche mince évaporée Thiophènes : α-6t (D.Fichou, CEA) TFT 6T #3 TFT1 dev # 3 I DS ( na ) V G (V) V DS ( V ) 4.5 ) (10 8 I SD sat ) 1/2 ( A 1/ µ = cm 2 / V.sec L= 50µm W = 1000µm 2 C i = 77.4nF / cm V G (V) Existence d un gaz 2D

17 Aspects techniques : 2. Et maintenant, mettons des organiques couche mince synthétisée in-situ S.Perruchas, A.Deluzet, P.Batail, Université d Angers A.Deluzet et al, Adv.Func. Mat., 123 (2002) SPCM32 K-Br χ T c =11K T(K) Couche mince de (ET) 3 [Cu 2 (NCS) 3 ] Couche mince de κ-(et) 2 Cu[N(CN) 2 ]Br

18 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

19 Aspects techniques : 1. Réalisation d une couche d alumine : structure de la couche d alumine (EDS) Al 2 O 3 Cu!!! Ar C.P. et al, en préparation

20 Quelle physique pour quelle densité? Sels à transferts de charges 2:1 n volumique cm -3,n surfacique cm T ρ ( ρ ) n=10 11 cm -2 =1 Temperature (K) M-H SP AF SDW METAL dans les régimes métalliques => aucun effet n=10 11 cm -2 =100% dans les régimes isolants : transition isolant->métal 1 SC Pressure (kbar) (TMTTF) 2 X (TMTSF) 2 X Transition isolant->métal?? X = PF 6 BF 4 Br PF 6 ClO 4

21 Quelle physique pour quelle densité? Effets de champ : Cristal de Wigner / Isolant de Mott M-I-S «Image semiconducteur» Gap de corrélation U U Gap du semiconducteur E OU BIEN 4t (Pression) Pic quasiparticules x Gap de corrélation U????

22 Quelle physique pour quelle densité? Il y a plusieurs transitions Isolant-métal dans les organiques 1000 T ρ ( ρ ) Temperature (K) M-H METAL Transition Isolant de Mott -> Metal SP AF SDW 1 SC X = Pressure (kbar) (TMTTF) 2 X (TMTSF) 2 X PF 6 BF 4 Br PF 6 ClO 4 Transition AF->metal (coexistence) Température I MI AF M κ-(bedt-ttf) 2 X Transition AF->SC (coexistence) SC SC Pression

23 Quelle physique pour quelle densité? Il n y a pas que les organiques Groupe J.M.Triscone,Univ. Geneve Groupe C.C.Tsuei, IBM Yorktown (PZT/GdBaCuO/PBCO) C.H.Ahn et al, Science, 284, 1152 (1999) (YBaCuO) D.M.News et al, Appl. Phys. Lett., 73, 780 (1998) F.P.Milliken et al, PRB, 62, 9143 (2000)

24 Le principe de l effet de champ (2) Grille Métal V G Source Isolant d Drain Semiconducteur ε V G e d n=f(v G )= = E n [cm -2 ] = 4.4x10 10 E[MV/cm] ε e