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

Structure des systèmes à fermions corrélés

ky

1Ds cuprates2Ds

ky ky

kxkx kx

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

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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...

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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

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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)

Le principe de l ’effet de champ (2)

Source Drain

Grille

VG Isolant

Métal

Semiconducteur

d

ε VGn=f(VG)= = Ee dεe

n [cm-2] = 4.4x1010 E[MV/cm]