Développement d’une imagerie de résistance électrique locale par AFM à pointe conductrice en mode contact intermittent

The atomic force microscope (AFM) allows to characterize with excellent spatial resolution samples of different types of surfaces and can be implemented in various environments. This versatility has encouraged the development of a large number of derivative technics, intended to investigate various local physical properties. The LGEP thus achieved a module, the Résiscope, capable of measuring the local electrical resistance on the surface of a sample polarized continuously, on a range of 11 decades. Developed in contact mode, where the tip continuously exerts a force on the sample, this technic works well on hard materials, but finds its limits on soft or fragile samples since under certain conditions, the tip can alter the surface. For such samples, an intermittent contact mode, in which the tip comes at regular intervals touch very briefly the surface, is more appropriate, but complicates the achievement of electrical measurements. The aim of this thesis was to overcome this difficulty by changing the Résiscope to be able to join the "Pulsed Force Mode", intermittent mode where the tip oscillates at a frequency of 100Hz to 2000Hz.Different hardware and software changes have been made to permit the detailed temporal monitoring of the electrical resistance signal to each make / break contact (necessary to review the phenomena related to intermittency), as well as to be able to work in acceptable scan speeds. For imaging, the best contrasts were obtained through an electronic timing and treatment taking into account the electrical resistance values at specific times.To test this new system, we have initially compared resistance and deflection curves we get by this mode with those considered classically in the force-distance curves mode. We then investigated the influence of main parameters (frequency and amplitude of oscillation, setpoint, coating of the tips, etc.) on the topographical and electrical measurements, using the HOPG as reference material. These tests resulted to highlight a nearly systematic delay of the electrical signal relative to the deflection signal (other than the Resiscope measure time), which we were not able to elucidate the origin.Once these knowledge acquired, we studied two types of organic samples, one in academic nature - Self-Assembled Monolayers of alkanethiols (SAMs), the other more applicative purpose – formed of thin layers of an interpenetrating network of two components (P3HT:PCBM) for photovoltaic cells. In both cases we have shown the relevance of the Resiscope tool in intermittent mode to obtain qualitative and quantitative information. In addition to these work on fragile materials, we conducted an annex study on a phenomenon of growth material of insulating nature found in special conditions on various hard materials, which has been interpreted as the friction polymer formation as a result of repeatedly nano-sliding associated with the deflection of the cantilever.These investigations were conducted under a CIFRE agreement with the Concept Scientific Instruments company, backed by the ANR MELAMIN» (P2N 2011) project.Le microscope à force atomique (AFM) permet de caractériser avec une excellente résolution spatiale les surfaces d’échantillons de différentes natures et peut être mis en œuvre dans des milieux variés. Cette versatilité a favorisé le développement d’un grand nombre de techniques dérivées, destinées à investiguer diverses propriétés physiques locales. Le LGEP a ainsi réalisé un module, le Résiscope, capable de mesurer la résistance électrique locale à la surface d’un échantillon polarisé en continu, sur une gamme de 11 décades. Mise au point en mode contact, où la pointe exerce en permanence une force sur l’échantillon, cette technique fonctionne très bien sur des matériaux durs, mais trouve ses limites sur des échantillons mous ou fragiles puisque dans certaines conditions, la pointe peut altérer leur surface. Pour de tels échantillons, un mode contact intermittent, dans lequel la pointe vient à intervalles réguliers toucher très brièvement la surface, est plus approprié, mais complique la réalisation des mesures électriques. Le but de la thèse consistait à lever cette difficulté en modifiant le Résiscope pour pouvoir l’associer au « Pulsed Force Mode », mode intermittent où la pointe oscille à une fréquence de 100Hz à 2000Hz.Différentes évolutions matérielles et logicielles ont été apportées pour permettre le suivi temporel détaillé du signal de résistance électrique à chaque établissement/rupture de contact (indispensable pour passer en revue les phénomènes liés à l’intermittence), de même que pour pouvoir travailler à des vitesses de balayage acceptables. Pour l’imagerie, les meilleurs contrastes ont été obtenus grâce à une électronique de synchronisation et de traitement prenant en compte les valeurs de résistance électrique à des moments bien précis. Pour tester ce nouveau système, nous avons dans un premier temps comparé les courbes de résistance et de déflexion que nous obtenons par ce mode avec celles considérées classiquement dans le mode approche-retrait. Nous avons ensuite étudié l’influence des principaux paramètres (fréquence et amplitude d’oscillation, force d’appui, type de pointe, etc.) sur les mesures topographiques et électriques, en utilisant le HOPG comme matériau de référence. Ces essais ont notamment permis de mettre en évidence un retard quasi systématique du signal électrique par rapport au signal de déflexion (autre que le temps de mesure propre au Résiscope), dont nous n’avons pu élucider l’origine. Une fois ces connaissances acquises, nous avons étudié deux types d’échantillons organiques, l’un à caractère académique – des monocouches auto-assemblées d’alcanethiols (SAMs), l’autre à finalité plus applicative – des couches minces formées d’un réseau interpénétré de deux constituants (P3HT:PCBM) destinées aux cellules photovoltaïques. Dans les deux cas nous avons montré la pertinence de l’outil Résiscope en mode intermittent pour obtenir des informations qualitatives et quantitatives. Parallèlement à ces travaux sur matériaux fragiles, nous avons mené une étude annexe sur un phénomène de croissance de matière à caractère isolant constaté dans des conditions particulières sur différents matériaux durs, qui a été interprété comme la formation de polymère de friction sous l’effet des nano-glissements répétés associés à la déflexion du levier.Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d’une convention CIFRE avec la société Concept Scientifique Instruments, adossée au projet ANR « MELAMIN » (P2N 2011)

WS2 2D Semiconductor Down to Monolayers by Pulsed-Laser Deposition for Large-Scale Integration in Electronics and Spintronics Circuits

We report on the achievement of a large-scale tungsten disulfide (WS2) 2D semiconducting platform derived by pulsed-laser deposition (PLD) on both insulating substrates (SrTiO3), as required for in-plane semiconductor circuit definition, and ferromagnetic spin sources (Ni), as required for spintronics applications. We show thickness and phase control, with highly homogeneous wafer-scale monolayers observed under certain conditions, as demonstrated by X-ray photoelectron spectroscopy and Raman spectroscopy mappings. Interestingly, growth appears to be dependent on the substrate selection, with a dramatically increased growth rate on Ni substrates. We show that this 2D-semiconductor integration protocol preserves the interface integrity. Illustratively, the WS2/Ni electrode is shown to be resistant to oxidation (even after extended exposure to ambient conditions) and to present tunneling characteristics once integrated into a complete vertical device. Overall, these experiments show that the presented PLD approach used here for WS2 growth is versatile and has a strong potential to accelerate the integration and evaluation of large-scale 2D-semiconductor platforms in electronics and spintronics circuits

Path to overcome material and fundamental obstacles in spin valves based on Mo S2 and other transition-metal dichalcogenides

Experimental studies on spin valves with exfoliated 2D materials face the main technological issue of ferromagnetic electrode oxidation during the 2Ds integration process. As a twofold outcome, magnetoresistance (MR) signals are very difficult to obtain and, when they finally are, they are often far from expectations. We propose a fabrication method to circumvent this key issue for 2D-based spintronics devices. We report on the fabrication of NiFe/MoS2/Co spin valves with mechanically exfoliated multilayer MoS2 using an in situ fabrication protocol that allows high-quality nonoxidized interfaces to be maintained between the ferromagnetic electrodes and the 2D layer. Devices display a large MR of 5%. Beyond interfaces and material quality, we suggest that an overlooked more fundamental physics issue related to spin-current depolarization could explain the limited MR observed so far in MoS2-based magnetic tunnel junctions. This points to a path towards the observation of larger spin signals in line with theoretical predictions above 100%. We envision the impact of our work to be beyond MoS2 and its broader transition-metal dichalcogenides family by opening the way to an accelerated screening of other 2D materials that are yet to be explored for spintronics

Développement d'une imagerie de résistance électrique locale par AFM à pointe conductrice en mode contact intermittent

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Formation de matière sur des surfaces imagées par AFM en mode intermittent : un artefact inattendu

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