Propriétés de transport de microstructures et nanostructures de silicium

L étude porte sur le transport, électronique et de spin, dans des microstructures et nanostructures à base de silicium, le matériau phare de l industrie microélectronique. Nous avons étudié un procédé de lithographie assistée par microscope à force atomique (AFM) pour fabriquer des nanofils sub-100-nm ultraminces (8 à 15 nm) de silicium, connectés à une structure de test sur silicium sur isolant (SOI). Les mesures électriques ont mis en évidence le comportement de transistor à effet de champ (FET) des nanocircuits. Le piégeage des électrons aux défauts d interfaces et de l oxyde, est la cause de la déplétion cumulative des fils ultraminces au cours des mesures successives I(V). Le dépiégeage peut être contrôlé par application d une tension sur la grille du nanofil. Les fils ont ainsi révélé un effet mémoire (écriture/lecture par piégeage/dépiégeage sous tension de grille positive/négative). Nous avons par ailleurs étudié le transport du spin dans un canal de silicium. L étude théorique a souligné la possibilité d utiliser un faible champ magnétique pour manipuler le spin en obtenant des longueurs de précession et de diffusion de spin micrométriques, compatibles avec la technologie actuelle. L injection et la collecte électriques ont été réalisées dans un dispositif mémoire magnétique intégrée sur silicium (MEMIS), similaire à un SpinFET. Néanmoins, la qualité des jonctions hybrides métal ferromagnétique/isolant/silicium (FMIS) conditionnent l efficacité d injection et de collecte du spin et de l effet de magnétorésistance ; dans ce sens, nous avons exploré quelques techniques d élaboration de jonctions Co/AlO/Si et Co/MgO/Si avec des oxydes minces de l ordre du nanomètre. Nous avons obtenu des jonctions FMIS avec une injection électrique par tunnel direct, ce qui présente une piste prometteuse pour l injection cohérente du spin. Nous avons également caractérisé des jonctions redresseur semiconducteur ferromagnétique /semiconducteur (MSS) du type Ge3Mn5/Ge qui se sont avérées très intéressantes pour l injection du spin.This thesis work deals with the study of transport properties, of both charge and spin, in silicon-based microstructures and nanostructures. We have studied the fabrication process of connected low section (100 x 8 nm2) silicon nanowires (SiNWs) using atomic force microscope (AFM) lithography on thinned silicon on insulator (SOI) samples. Electrical measurements highlighted typical Field Effect Transistor (FET) behaviour of these SiNWs. Electron trapping in oxide or at interfaces is responsible of the cumulative depletion of the wires during the successive I(V) measurements. Electron release is obtained by application of a voltage on the wire gate. So the wires exhibited a memory effect in which the writing / reading process occurs by electron trapping / de-trapping controlled by application of a positive / negative voltage on the device gate. Furthermore, we studied the spin transport in a silicon substrate. Numerical evaluation of spin transport in drift-diffusive regime reveals spin diffusion and spin precession lengths of several microns, under a weak external magnetic field. Such dimensions are compatible with present technology of ICs. Electrical measurements carried out on a magnetic memory integrated on silicon (MEMIS), specially designed for this study, showed electron injection and collection efficiency. However, no magnetoresistance was detected probably due to the low quality of interfaces in the hybrid heterojunctions ferromagnetic metal/insulator/silicon (FMIS). Thus, we proposed to test extra FMIS structures such as Co/AlO(~1 nm)/Si and Co/MgO(~1 nm) /Si, fabricated with less thermal treatments. The direct tunnelling transport in oxide was obtained in these junctions, which would allow spin injection coherence in prospective spin devices. Finally, we have characterized rectifying junctions Ferromagnetic semiconductor/semiconductor (MSS) such as Ge3Mn5/Ge which seem to be particularly suitable for spin injection.AIX-MARSEILLE2-BU Sci.Luminy (130552106) / SudocSudocFranceF

Nanocircuits en silicium sur isolant élaborés par microscopie à force atomique

AIX-MARSEILLE2-BU Sci.Luminy (130552106) / SudocSudocFranceF

Nano-agrégats de silicium et de germanium préparés par ablation laser (Elaboration et propriétés électroniques)

AIX-MARSEILLE2-BU Sci.Luminy (130552106) / SudocSudocFranceF

Contribution à la réalisation d'une mémoire magnétique Intégrée sur silicium

Ce travail de thèse porte sur l'étude de l'injection et de la collection d'électrons polarisés en spin dans le silicium. Différentes études ont été menées dont les principaux résultats sont présentés. Dans toutes ces études, une structure Métal ferromagnétique/ Isolant/Si (FM/I/S) a été utilisée. La première de ces études porte sur l'existence éventuelle d'une couche magnétiquement morte à l'interface Métal ferromagnétique/Isolant qui pourrait aboutir à la dépolarisation des électrons injectés. Dans la seconde étude, les propriétés magnétiques des électrodes ferromagnétiques qui sont utilisées pour l'injection et la collection des électrons polarisés sont analysées. La troisième étude est focalisée sur la contamination de la barrière isolante et du silicium par les métaux 3d du métal ferromagnétique. Ces résultats soulignent l'importance du contrôle de la contamination pour l'obtention de structures Métal ferromagnétique/Isolant/ Si de bonne qualité, un prérequis pour avoir un mécanisme de transport de tunnel direct qui conserve le spin. Dans la dernière étude, des caractérisations capacité-tension et courant-tension sont effectuées sur les structures Métal ferromagnétique/ Isolant/Si. Les résultats électriques montrent que la conduction est assistée par des pièges dans l'oxyde dont l'origine est probablement liée à la présence des métaux 3d dans la barrière isolante. Finalement, un dispositif test a été fabriqué et testé dans le but de mettre en évidence un signal de magnétorésistanceThis work is focused on the study of the injection and the collection of spin-polarized electrons into silicon. Different studies were conducted whose principal results will be presented. In all these studies, a simple diode-like ferromagnetic metal/insulator/semiconductor (FM/I/S) structure is used. The first study aimed to investigate whether a magnetic dead layer is obtained at the ferromagnet/oxide barrier that could lead to spin depolarization of the injected electrons. In the second study, magnetic characterization of diodes that may be used for spin injection and collection were performed. The third study focused on the contamination of the insulator barrier and the silicon by the ferromagnetic metal. The results underline the importance of controlling the contamination in obtaining defect-free insulator barrier, a prerequisite to spin conservative direct tunnel transport process. In the last study, capacitance-voltage as well as current-voltage characteristics have been measured. The electrical results show that the mechanisms of transport through the insulator barrier are assisted by defects whose the origin is probably linked to the diffusion of the 3d metal through the insulator barrier. Finally, a silicon-based device was made and studied to attempt to detect a magnetoresistance signalGRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Near-field magneto-optical microscopy

A scanning tunneling optical microscope (STOM) operating in total reflexion condition with variable incident angle and polarization sensitive detection of the evanescent mode has been developed to study near-field magneto-optical properties of thin magnetic films. The sample is deposited on the external face of a prism and illuminated in total reflexion conditions with linearly polarized laser light. The evanescent mode close to the surface is detected with a tip-ending monomode optical fiber connected at its other end to a photomultiplier tube equipped with a light-polarization analyzer. The polarization sensitivity of the whole system, which was found to depend on the tip condition, was characterized on the bare prism with s- and p-polarized excitations. The magneto-optical effect in the evanescent mode is measured through a lock-in amplifier by modulating the external magnetic field produced by a coil surrounding the tip. With this set-up we have mainly studied a dielectric garnet film exhibiting perpendicular magnetization. The images, obtained on this sample by measuring the magneto-optical effect under very low amplitude of the external magnetic field modulation, show up submicronic details due to magnetic domain wall motion

Quantitative analysis of enhanced light irradiance in waveguide-based fluorescent microarrays

International audienceProbing microarray assays in the presence of a hybridization mix retrieves precious information on hybridization kinetics. However, in common detection schemes, useful surface signals compete with the high supernatant background from labelled targets in the mix. A known solution consists in exciting specifically the microarray surface with evanescent fields. Configurations using planar opticalwaveguides to produce such fields are shownhere to present also a dramatic excitation irradiance enhancement at the guide/surrounding matter interface. We compare theoretically and experimentally a guided excitation with a classical external excitation. A full electromagnetic analysis predicts an irradiance increase higher than 104 for adequately tailored waveguides.We deposited high-index TiO2 sol–gel waveguides on glass substrates according to best simulations. Quantitative enhancement analysis exploiting actual biological fluorescent spots perfectly confirms the irradiance amplification effect of a thin waveguide. The impact of amplification on the design of biochip readers is discussed since it leaves ample margin for simple and low-cost light couplers, advantageous in affordable readers and sensor systems

Recombination Time Mismatch and Spin Dependent Photocurrent at a Ferromagnetic-Metal/Semiconductor Tunnel Junction

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Effect of high-energy electron irradiation on the electronic properties of beta-gallium oxide

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