EP2125616A2 - Procédé de croissance d'un nanotube de carbone sur pointe nanométrique - Google Patents

Procédé de croissance d'un nanotube de carbone sur pointe nanométrique

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Publication number
EP2125616A2
EP2125616A2 EP08762031A EP08762031A EP2125616A2 EP 2125616 A2 EP2125616 A2 EP 2125616A2 EP 08762031 A EP08762031 A EP 08762031A EP 08762031 A EP08762031 A EP 08762031A EP 2125616 A2 EP2125616 A2 EP 2125616A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tip
silicon
cobalt
nanotube
layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08762031A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Anne-Marie Bonnot
Frédéric Gay
Pierre Henri Perrier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2125616A2 publication Critical patent/EP2125616A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C01B32/16—Preparation
    • C01B32/162—Preparation characterised by catalysts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
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    • G01Q60/38—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
    • G01Q70/08—Probe characteristics
    • G01Q70/10—Shape or taper
    • G01Q70/12—Nanotube tips
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2202/00—Structure or properties of carbon nanotubes
    • C01B2202/02—Single-walled nanotubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2202/00—Structure or properties of carbon nanotubes
    • C01B2202/04—Nanotubes with a specific amount of walls
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2202/00—Structure or properties of carbon nanotubes
    • C01B2202/20—Nanotubes characterized by their properties
    • C01B2202/34—Length

Definitions

  • the present invention relates to a method for growing carbon nanotubes on nano-sized tips, and more specifically the location, orientation and anchoring with good mechanical strength of an isolated carbon nanotube, mono- wall or multi-wall, with a number of walls ⁇ 4, or a small beam of 2 to 3 carbon nanotubes, on a nano-sized tip, with an improved success rate.
  • Carbon nanotubes are cylindrical molecules whose structure can be represented as a graphite sheet wound on itself. In this case we speak of a single wall carbon nanotube. When the structure of the carbon nanotube can be represented by several coiled and concentric sheets of graphite, it is called multiwall nanotubes.
  • carbon nanotubes are of particular interest in the field of Near Field Microscopy (MCP).
  • MCP Near Field Microscopy
  • points comprising a carbon nanotube has been demonstrated (see, for example, Dai et al., Nature, 384, (1996), 147 ff.) And such points carrying nanotubes could become an unavoidable element. as a probe for atomic force microscopy (AFM).
  • AFM atomic force microscopy
  • the existing products for use as probe in atomic force microscopy are in particular silicon tips
  • the lateral resolution is commonly 10 to 20 nm, that is to say, the order of magnitude of the size of the apex; the best have an ultimate resolution close 5 nm, but are very fragile at the apex as soon as they undergo the slightest contact when approaching the surface to be studied.
  • obtaining high quality images of the steep sides present on certain electronic circuits, in order to establish the quality of said circuits is relatively difficult, especially with pyramidal shaped tips; moreover, for certain applications, the silicon of the tip can pollute or react chemically with the analyzed surface.
  • these methods by bonding generally relate to multi-wall nanotubes (number of walls of the order of 10 or more), which certainly have the advantage of being very robust, but whose diameter from minus 10 nm results in poor resolution quality, including poor lateral resolution quality.
  • the patent application WO-A1-2004 / 094690 discloses a method for growing carbon nanotubes on a substrate previously coated with a titanium cobalt bilayer, the titanium layer being between 0.degree. , 5 nm and 5 nm and the cobalt layer being between 0.25 nm and 10 nm. According to this method, the nanotubes grow from the lateral surface of the bilayer without being able to favor growth of an isolated nanotube at the apex of a silicon tip.
  • a first object of the present invention is to provide a method of growing a carbon nanotube, or a small beam of carbon nanotubes, single wall or having a number of walls ⁇ 4, to the apex of a tip of nanometric size, said method comprising simple steps and relatively easy to transpose to the industrial level.
  • Another object of the invention is to optimize the growth of carbon nanotubes at the apex of spikes, including nanoscale spikes, for example probes tips usable in atomic force microscopy.
  • Another objective is to optimize and promote the growth of substantially isolated carbon nanotubes and only at the apex of spikes, including nanoscale spikes.
  • the invention proposes the optimization of the growth of carbon nanotubes isolated essentially only at the tip apex, substantially in the direction of the axis of the tip. Another objective is to provide a large-scale manufacturing process batches of tips, the ends (apex) comprise an isolated carbon nanotube, or a small isolated beam of carbon nanotubes. Another object of the invention is a batch growth process of carbon nanotubes isolated at the apex of nanometric spikes, including tips supported by cantilever (s). Another objective is the batch production of probes for AFM cantilever type, the apex of the tips is grafted with at least one carbon nanotube at one, two, three or even a maximum of four walls preferably from one to three walls. Still other objectives will be expressed in the description of the invention which follows.
  • the present invention thus has for its first object a catalytic growth process of a carbon nanotube isolated at the apex of a nanometer tip by chemical vapor deposition (CVD), for example chemical vapor deposition assisted of a hot filament (HFCVD), comprising a step consisting of covering all or part of said tip of a titanium-cobalt bilayer beforehand, the titanium layer having a thickness of between 0.1 nm and 0.2 nm and the cobalt layer having a thickness between 0.3 nm and 2 nm.
  • nanoscale tip is meant any type of nanoscale point, such as those used in the various fields using nanometric techniques and devices, for example electronics, optoelectronics, near field microscopy, atomic force microscopy, and others. Nanoscale tips are well known to those skilled in the art and can be made of any type of material, in particular semiconductor materials.
  • the nanoscale tips advantageously consist essentially of one or more semiconductor materials chosen from semiconductors, semiconductors III- V, semiconductor nitrides, semiconductor carbides, more particularly among semiconductors and semiconductor nitrides, alone or in combinations or combinations of two or more of them.
  • semiconductor materials chosen from semiconductors, semiconductors III- V, semiconductor nitrides, semiconductor carbides, more particularly among semiconductors and semiconductor nitrides, alone or in combinations or combinations of two or more of them.
  • Preferred examples of such materials are Si, SiC, SJsN 4 , AlN, Ga, Ge, GaN, InN, GaAs, GaAsAl, AlGaN, alone or in combinations or combinations of two or more of them.
  • Particularly preferred are tips made of silicon (Si) or silicon nitride (SisN 4 ) or a combination or combination of these two materials in any proportions. Most preferably, the tips are made of silicon.
  • silicon used as such or in the terms “silicon tip”, “silicon wafer” and the like, encompasses not only silicon as such , but also any other semiconductor material as defined above, in particular silicon nitride, alone or in combination / combination with silicon, which can be used in a manner equivalent to silicon in the fields envisaged.
  • the present invention also encompasses the improved growth processes of carbon nanotubes as defined above, on silicon nitride tips, alone or in combination / combination with silicon.
  • the inventors have surprisingly discovered that the deposition of the bilayer defined above allows the localization and anchoring, with good mechanical strength, of an isolated carbon nanotube, or a small isolated beam of 2 to 3 nanotubes, single wall or with a number of walls ⁇ 4, usually 2 or 3 walls, at the apex of a nanometer tip.
  • the cobalt layer is preferably formed on the titanium layer.
  • the titanium layer is formed on the cobalt layer.
  • the invention thus resides in the implementation of the CVD method, preferably HFCVD, associated with a titanium / cobalt bilayer previously deposited on a nanoscale tip which makes it possible to increase the probability of locating a carbon nanotube, or a small bundle of carbon nanotubes, by compared to the same process using a single layer of nanotube growth catalyst.
  • the tip may be covered in whole or in part by the previously defined bilayer. When only part of the tip is covered with the bilayer, it is preferred that the coating is present at least in the vicinity of the end of the tip (apex), or on the end of the tip. Techniques for partial coating of a catalyst layer are known to those skilled in the art and can be applied to the bilayer of the process of the present invention.
  • the present invention allows a control of the length of the nanotubes, by varying the thickness of the cobalt layer, without substantially altering the probability of locating a nanotube at the apex of a nanotube. point.
  • the nanotubes grafted according to the process of the invention may, for example, have a length of between a few tens of nm and a few ⁇ m, advantageously less than or equal to 1 ⁇ m.
  • the length is between 20 nm and 3 to 4 microns, more preferably between 100 to 500 nm and 1 micron.
  • the method of the present invention makes it possible to obtain grafted carbon nanotubes with a precisely controlled length of between 200 nm and 300 nm.
  • other precisely controlled lengths can be obtained.
  • the nanotubes also have the advantage of being grafted substantially at the apex of the tip and in an orientation, along the axis of the tip, equal to ⁇ 20 °. These properties make it possible in particular to obtain excellent imaging qualities by atomic force microscopy. These excellent imaging qualities result in particular from the robustness of the assembly due to the method of the invention, the lack of chemical reaction with the surface to be studied, thanks to the inert constituent of the nanotube which is carbon.
  • graft nanotubes a nanotube or even a small bundle of nanotubes
  • orientation ⁇ 20 ° with respect to the axis of the point
  • imageries with excellent lateral resolutions of steep flanks imageries with excellent surface resolutions having roughnesses / asperities (hollow and bumps) ), or breaks (current passages).
  • These resolutions may be less than or equal to 5 nm with reduced analysis times compared to conventional high resolution probes, for example analysis times reduced by a factor of up to about 10, without altering the resolution.
  • the method of the invention is a self-assembly technique that allows, by simple deposition of at least the previously defined bilayer, optimize and localize the growth by technique (HF) CVD of a nanotube at the apex of a nanoscale tip, preferably a tip of silicon and / or silicon nitride.
  • This method is thus particularly suitable for the batch production of carbon nanotubes grafted onto nanometric points distributed over a surface, without requiring any post-treatment.
  • the method of the invention makes it possible to increase the probability of grafting carbon nanotubes with a length of between 20 nm and 3 to 4 ⁇ m, compared to the known methods of the prior art. .
  • the growth success rate of a carbon nanotube isolated at the apex of the tip generally varies between 20% and 60%, depending on the operating conditions, and the nature, quality, size and shape of the tips.
  • the previously coated spikes of the previously defined titanium / cobalt bilayer are grafted with an isolated carbon nanotube (or a small isolated nanotube bundle, as defined previously) with an improved success rate, ranging from 40% to 80%, generally from 50% to 80%, for a minimum number of at least 100 tips processed in batches of at least 30 tips. It has even been observed a success rate of 100% on lots of 10 silicon tips.
  • the success rate is defined as the ratio between the number of points grafted by an isolated nanotube or a small isolated beam of nanotubes, as previously defined, and the total number of tips engaged in the process of the invention, expressed percentage.
  • the method of the present invention makes it possible, simply and without a post-treatment step, to improve the efficiency of the processes known from the prior art by a factor of about 2. , or even greater than 2, and therefore significantly lower the manufacturing cost of grafted tips and therefore their cost.
  • the method of the invention comprising the step of applying the bilayer described above, avoids the generation of a large number of nanotubes on the surface of the tip, while promoting growth. at least one isolated nanotube at the apex of the tip. Indeed, the method of the invention implements a lower cobalt thickness than that commonly used in the field.
  • This lower thickness of cobalt causes a sharp decrease in the density of tubes deposited on the substrate (tip, cantilever, probe, sheet (“wafer”) and others) and thus allows said substrate to retain its appearance, including color and brightness, and therefore its reflective power in the visible. This allows at least to preserve the initial properties of the substrate.
  • the present invention makes it possible to decouple the anchoring probability of a carbon nanotube (or a small bundle of carbon nanotubes) essentially governed by titanium, from the length of the nanotube (s) which depends essentially on the thickness of the cobalt layer.
  • the carbon nanotubes obtained at the apex of spikes according to the process of the present invention are substantially even completely uniform within the same batch and between different batches.
  • the present inventors have succeeded in optimizing the titanium / cobalt ratio, in order to optimize the low growth density / small diameter / length compromise of the nanotubes at the apex of nanometric peaks, leading to an increased probability of location and a strong anchor of a carbon nanotube (or a small bundle of carbon nanotubes) at the tip (apex) of spikes.
  • the diameter and the structure (single wall, multi-wall) nanotubes are substantially uniform.
  • the diameter of the nanotubes grafted according to the process of the present invention is generally of the order of 1 to 8 nm, preferably of the order of 1 to 5 nm, typically of the order of 1 to 3 nm for single-walled nanotubes, and of the order of 2 nm to 5 nm for nanotubes with two concentric walls.
  • the first step of the method of the invention thus relates to the deposition of a bilayer comprising titanium and cobalt, as defined above, on any type of substrate, in particular a semiconductor substrate, for example silicon and / or silicon nitride, such as for example a "wafer" (silicon wafer), a probe or a cantilever, comprising at least one tip at the apex of which the growth of a nanotube (or a small beam of carbon nanotubes) according to the process of the invention is desired.
  • a semiconductor substrate for example silicon and / or silicon nitride, such as for example a "wafer" (silicon wafer), a probe or a cantilever, comprising at least one tip at the apex of which the growth of a nanotube (or a small beam of carbon nanotubes) according to the process of the invention is desired.
  • the deposition of the thin layers can be carried out by any method known to those skilled in the art and, for example, by evaporation, spraying or any other thin-film deposition method usually used with the substrates that can be used in the context of the invention.
  • present invention the thicknesses of titanium and cobalt are measured using a quartz whose natural frequency varies in a known manner when it is covered with a thin layer and therefore its mass. increases. This quartz is positioned closer to the deposition surface. This Thickness measurement is controlled once and for all by measurement of the step height on a standard substrate where the material has been deposited.
  • the growth of the nanotubes is carried out by implementing a catalytic process by chemical vapor deposition, preferably assisted by a hot filament (HFCVD process), known to those skilled in the art. and as described, for example, by L. Marty et al. Microelectronics Engineering, 61-62 (1), (2002), 4585-489).
  • This growth step is generally carried out in the presence of a gaseous hydrocarbon atmosphere, such as methane, ethylene or acetylene, preferably methane, and optionally, but preferably, hydrogen and at a temperature in the region of 800 ° C.
  • a gaseous hydrocarbon atmosphere such as methane, ethylene or acetylene, preferably methane, and optionally, but preferably, hydrogen and at a temperature in the region of 800 ° C.
  • carbon nanotubes can be formed by reaction between a carbonaceous vapor and catalytic particles, typically cobalt, iron or nickel, which have the property of dissolving the carbon located on their surface.
  • the catalytic particles are formed in situ by dewetting a thin layer of cobalt previously deposited on a substrate under the effect of a temperature rise. brutal.
  • the vapor is decomposed by a filament heated to 1900-2050 0 C and placed opposite the surface of the substrate.
  • Carbonaceous vapor a source of carbon and atomic hydrogen, has the property of gasifying disordered carbon forms.
  • the catalytic reaction of the cobalt particles with the carbonaceous vapor on a substrate coated with the bilayer previously defined and brought to a temperature of the order of 700-900 ° C. makes it possible to obtain single-walled or multi-walled nanotubes with low numbers. of walls ( ⁇ 4) and of good crystalline quality.
  • the method of the present invention is a catalytic growth process of an isolated carbon nanotube or a small isolated beam of carbon nanotubes, at the apex of a nanoscale tip, for example silicon and / or or silicon nitride, by chemical vapor deposition (CVD), ⁇ 1-
  • a hot filament chemical vapor deposition comprising: a) depositing on all or a portion of said tip of a titanium-cobalt bilayer, the titanium layer having a thickness of between 0.1 nm and 0.2 nm and the cobalt layer having a thickness between 0.3 nm and 2 nm; b) the implementation of a catalytic process by chemical vapor deposition, preferably assisted by a hot filament (HFCVD process), of growth of said nanotube or said small nanotube bundle; and c) obtaining the tip, at the apex of which is grafted an isolated carbon nanotube or a small isolated beam of carbon nanotubes, single-wall or multi-wall low number of walls ( ⁇ 4).
  • HFCVD hot filament chemical vapor deposition
  • the substrate coated, in whole or in part, titanium / cobalt bilayer according to the invention comprises at least one tip.
  • This tip can be of all shapes and sizes suitable for the applications envisaged, and in particular of various geometrical shapes, with a square, rectangular, triangular, circular, and other base, that is to say tips of conical or pyramidal shape. these points may possibly be truncated.
  • a substrate such as a wafer, a probe, a cantilever, or a tip, coated with a titanium / cobalt bilayer, the titanium layer having a thickness of between 0.1 nm and 0.2 nm and the cobalt layer having a thickness between 0.3 nm and 2 nm is new and is within the scope of the present invention.
  • Said substrate comprises, or consists essentially of, one or more semiconductor materials, as previously defined, and preferably the substrate is comprised of, or consists of, silicon, silicon nitride or an association / combination of silicon / silicon nitride.
  • said substrate comprises at least one tip, and that said substrate can be coated in whole or in part with said bilayer, for as far as said tip is coated with said bilayer, at least on its tapered portion, at the apex, or at least in the vicinity of the apex of said tip.
  • the present invention relates to the method of growth of carbon nanotubes at the tip apex, said method being performed in batches (batch).
  • batch means that a large number of tips, usually disposed on a substrate, can be processed simultaneously.
  • the invention therefore solves the problem of anchoring a nanotube (or a small beam of carbon nanotubes) isolated at the apex of a tip, for any nanodevice, that is to say to say any substrate having at least one point, this with a technique of batch self-assembly, in other words to simultaneously grow at the apex of the tips of several nanodevices, an isolated carbon nanotube, or a small beam isolated from carbon nanotubes.
  • the nanodevices can therefore be processed simultaneously, in batches, said nanodevices generally being distributed over surfaces of all sizes, for example surfaces of 2 inches (5.08 cm) in diameter, 4 inches (10.16 cm). ) diameter, or even surfaces 6 inches (15.24 cm) in diameter.
  • Commercial substrates for example silicon wafers
  • having the above dimensions can for example comprise up to 120 devices, up to 480 devices, or even up to 1080 devices, all of which can be processed simultaneously according to the method of the invention. invention, ie coating the bilayer and growing nanotubes.
  • the success rate that is to say the percentage of tips at the apex of which is grafted an isolated carbon nanotube, or a small isolated beam of carbon nanotubes as described above, can range from 40% to 80%, or even 100%.
  • This success rate (presence or absence of a nanotube or a small bundle of nanotubes at the apex of a tip) is evaluated by observation of the tips using a scanning electron microscope, field emission type.
  • the present invention is directed to an optimized growth process for carbon nanotubes at the apex of tips.
  • the applications of these points grafted according to the method of the present invention by at least one nanotube or a bundle of 2 to 3 carbon nanotubes are numerous, as is known in the art and as can be imagined by those skilled in the art, according to technological developments.
  • the points grafted by an isolated carbon nanotube, or an isolated beam of 2 to 3 carbon nanotubes, obtained according to the process of the invention may advantageously be used in the field of near field microscopy technology and atomic force microscopy.
  • points grafted according to the method of the invention may be those that use devices requiring the localization, anchoring and orientation of a carbon nanotube in a point with a free end, or at two points, without free end, in nanodevices made of silicon or silicon nitride, such as NEMS ("Nano Electro Mechanical Systems”), transistors, sensors, and others, or at the manufacture of NEMS, electrical circuits or sensors based on carbon nanotubes.
  • NEMS Nano Electro Mechanical Systems
  • said tip when the carbon nanotube is anchored to the apex of a tip, and the other end of the nanotube is free, said tip can be used in a high performance probe for Atomic Force Microscopy, especially for the imaging of proteins or other biological materials.
  • said nanotube When the nanotube is suspended between two points, one of which is the apex of a tip, the other being a surface, another tip, an electrode, or the like, said nanotube may then be an element of any type of nanodevices, such as transistors, NEMS, or others.
  • the method of the present invention makes it possible to obtain an improved success rate not only for grafting an isolated nanotube or a small isolated beam of nanotubes at the end of a tip, but also , an improved success rate for the grafting of an isolated nanotube or a small an isolated beam of nanotubes at the end of a tip, together with the growth and anchoring of said isolated nanotube or a small isolated beam of nanotubes on another tip, a surface, an electrode or the like of a nanodevice, such as a transistor, NEMS or other.
  • a nanodevice such as a transistor, NEMS or other.
  • the degree of grafting an isolated nanotube (or a small isolated nanotube beam) at the apex of the tips is about 18%.
  • the peaks of pyramidal shape (total number: 600) being this time coated with a titanium layer of 0.1-0.2 nm and then with a cobalt layer of 0,
  • the grafting rate of an isolated nanotube (or a small isolated nanotube beam) at the apex of the tips is about 50%, an increase of about 245%.
  • the degree of grafting increases from 60% with a single layer of cobalt with an optimized thickness of 4 nm, to reach 80% with a titanium layer of 0. , 1 nm coated with a cobalt layer 1 nm thick.
  • the method of the present invention thus makes it possible not only to significantly increase the probability of grafting an isolated nanotube (or a small isolated beam of nanotubes) at the apex of the tips, but also to reduce strongly the amount of cobalt required for the growth of the nanotubes, with the advantage of keeping the cantilever at least its initial reflection power.
  • FIG. 1 shows a tip of pyramidal shape, the end of which is grafted, according to the process of the present invention, by an isolated carbon nanotube of length approximately 430 nm.
  • FIGS. 2 and 3 respectively show a tip grafted by a carbon nanotube isolated on a tapered tip of conical shape and on a tapered tip of pyramidal shape.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de croissance catalytique de nanotubes de carbone sur pointes nanométriques par dépôt chimique en phase vapeur assisté d'un filament chaud, comprenant une première étape de revêtement préalable de ladite pointe par un bicouche de titane et de cobalt, la couche de titane ayant une épaisseur comprise entre 0,1 nm et 0,2 nm et la couche de cobalt ayant une épaisseur comprise entre 0,3 nm et 2 nm.

Description

PROCEDE DE CROISSANCE D'UN NANOTUBE DE CARBONE SUR POINTE NANOMÉTRIQUE
[0001] La présente invention concerne un procédé de croissance de nanotubes de carbone sur des pointes de dimension nanométrique, et plus spécifiquement la localisation, l'orientation et l'ancrage avec une bonne tenue mécanique d'un nanotube de carbone isolé, mono-paroi ou multi-paroi, avec un nombre de parois ≤ 4, ou d'un petit faisceau de 2 à 3 nanotubes de carbone, sur une pointe de dimension nanométrique, avec un taux de réussite amélioré.
[0002] Depuis la découverte des nanotubes de carbone, de nombreuses recherches ont été conduites afin de définir leurs propriétés, en particulier dans le domaine des nanosciences, et d'explorer les débouchés qu'ils pourraient offrir dans le domaine des nanotechnologies.
[0003] Les nanotubes de carbone (NTC) sont des molécules cylindriques dont la structure peut être représentée comme une feuille de graphite enroulée sur elle-même. On parle dans ce cas de nanotube de carbone mono-paroi. Lorsque la structure du nanotube de carbone peut être représentée par plusieurs feuilles de graphite enroulées et concentriques, on parle alors de nanotubes multi- parois.
[0004] En raison de leur aspect géométrique, de leur grande rigidité longitudinale, et de leur inertie chimique, les nanotubes de carbone présentent un intérêt tout particulier dans le domaine de la Microscopie de Champ Proche (MCP). À ce titre, l'intérêt de pointes comportant un nanotube de carbone a été démontré (voir par exemple Dai et coll., Nature, 384, (1996), 147 sqq.) et de telles pointes porteuses de nanotubes pourraient devenir un élément incontournable en tant que sonde pour la microscopie de force atomique (AFM). [0005] En effet, les produits existants pour utilisation comme sonde en microscopie de force atomique sont notamment les pointes silicium, dont la résolution latérale est couramment de 10 à 20 nm, c'est-à-dire de l'ordre de grandeur de la taille de l'apex ; les meilleures ont une résolution ultime voisine de 5 nm, mais sont très fragiles au niveau de l'apex dès qu'elles subissent le moindre contact lors de l'approche de la surface à étudier. Par ailleurs, l'obtention d'images de grande qualité des flancs raides présents sur certains circuits électroniques, afin d'établir la qualité desdits circuits, est relativement difficile, notamment avec des pointes de forme pyramidale ; par ailleurs, pour certaines applications, le silicium de la pointe peut polluer ou réagir chimiquement avec la surface analysée.
[0006] Afin de remédier à ces inconvénients, il a déjà été proposé de greffer des nanotubes de carbone à l'apex de pointes nanométriques. À cet effet, de nombreuses recherches sont effectuées afin de proposer notamment des procédés de fabrication de sondes pour AFM sur lesquelles sont fixés des nanotubes de carbone, en particulier à l'apex de la pointe du cantilever de la sonde. [0007] On connaît aujourd'hui deux grands types de fixation de nanotubes sur les sondes, à savoir les procédés « mécaniques » et les procédés « chimiques ».
[0008] Dans les procédés mécaniques, les nanotubes de carbone sont fixés par collage un à un sur les sondes. On comprend aisément la difficulté de mise en œuvre d'un tel procédé entraînant une incompatibilité avec une production à grande échelle, notamment pour des raisons de temps et de coûts associés.
[0009] En outre, ces procédés par collage concernent généralement des nanotubes multi-parois (nombre de parois de l'ordre de 10 ou plus), qui certes possèdent l'avantage d'être très robustes, mais dont le diamètre d'au moins 10 nm entraîne une mauvaise qualité de résolution, notamment une mauvaise qualité de résolution latérale.
[0010] Les procédés chimiques quant à eux font principalement appel à la technique de dépôt chimique en phase vapeur (« chemical vapor déposition » ou CVD en langue anglaise). On peut citer par exemple les travaux de Cheung C. L. et coll. (PNAS, 97, (2000), 3809 sqq.), de Yenilmez E. et coll. {Appl. Phys. Lett, 80, (2002), 2025 sqq.), de Snow, E. S. et coll. {Appl. Phys. Lett, 80, (2002) 2002 sqq), ou encore ceux de Qi Ye et coll. (Nanolett, 4, (2004), 1301 sqq.). [0011] Ces procédés conduisent généralement au greffage de non seulement plusieurs nanotubes de carbone à l'apex des pointes, mais également à l'apparition d'une grande quantité de nanotubes sur les flancs des pointes. D'autres procédés encore sont relativement difficilement industrialisables, car mettant en œuvre des étapes multiples, complexes et/ou onéreuses.
[0012] Comme autre exemple, la demande de brevet W0-A1 -2004/094690 divulgue un procédé de croissance de nanotubes de carbone sur un substrat préalablement revêtu d'un bicouche de titane et de cobalt, la couche de titane étant comprise entre 0,5 nm et 5 nm et la couche de cobalt étant comprise entre 0,25 nm et 10 nm. Selon ce procédé, les nanotubes croissent à partir de la surface latérale du bicouche, sans pouvoir privilégier une croissance d'un nanotube isolé à l'apex d'une pointe de silicium.
[0013] On recherche par conséquent à améliorer les procédés de greffage de nanotubes de carbone, notamment à l'apex de pointes, et qui puissent être transposés à l'échelon industriel, avec des coûts de production acceptables et offrant des produits finis possédant les qualités requises pour les applications envisagées.
[0014] Ainsi, un premier objectif de la présente invention consiste à proposer un procédé de croissance d'un nanotube de carbone, ou d'un petit faisceau de nanotubes de carbone, mono-paroi ou présentant un nombre de parois ≤ 4, à l'apex d'une pointe de taille nanométrique, ledit procédé comprenant des étapes simples et relativement aisées à transposer à l'échelon industriel. [0015] Un autre objectif de l'invention est d'optimiser la croissance des nanotubes de carbone à l'apex de pointes, notamment de pointes nanométriques, par exemple des pointes de sondes utilisables en microscopie à force atomique. [0016] Un autre objectif est d'optimiser et de favoriser la croissance de nanotubes de carbone essentiellement isolés et uniquement à l'apex de pointes, notamment de pointes nanométriques. [0017] Comme autre objectif, l'invention propose l'optimisation de la croissance de nanotubes de carbone isolés essentiellement uniquement à l'apex de pointes, substantiellement dans la direction de l'axe de la pointe. [0018] Un autre objectif est de fournir un procédé de fabrication à grande échelle de lots de pointes, dont les extrémités (apex) comportent un nanotube de carbone isolé, ou un petit faisceau isolé de nanotubes de carbone. [0019] Un autre objectif de l'invention est un procédé de croissance par lots de nanotubes de carbone isolés à l'apex de pointes nanométriques, notamment de pointes supportées par cantilever(s). [0020] Un autre objectif est la production par lots de sondes pour AFM de type à cantilever, dont l'apex des pointes est greffé par au moins un nanotube de carbone à une, deux, trois, voire un maximum de quatre parois de préférence de une à trois parois. [0021] D'autres objectifs encore seront exprimés dans la description de l'invention qui suit.
[0022] La présente invention a ainsi pour premier objet un procédé de croissance catalytique d'un nanotube de carbone isolé à l'apex d'une pointe nanométrique par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), par exemple dépôt chimique en phase vapeur assisté d'un filament chaud (HFCVD), comprenant une étape consistant à recouvrir au préalable, en totalité ou en partie, ladite pointe d'un bicouche de titane et de cobalt, la couche de titane ayant une épaisseur comprise entre 0,1 nm et 0,2 nm et la couche de cobalt ayant une épaisseur comprise entre 0,3 nm et 2 nm. [0023] Par « pointe nanométrique », on entend tout type de point de taille nanométrique, telle que celles utilisés dans les différents domaines mettant en œuvre des techniques et des dispositifs nanométriques, par exemple l'électronique, l'opto-électronique, la microscopie de champ proche, la microscopie de force atomique, et autres. Les pointes nanométriques sont bien connues de l'homme du métier et peuvent être constituées de tout type de matériau, en particulier des matériaux semi-conducteurs.
[0024] Pour les besoins de la présente invention, les pointes nanométriques sont avantageusement essentiellement constituées d'un ou plusieurs matériaux semi-conducteurs choisis parmi les semi-conducteurs, les semi-conducteurs III- V, les nitrures de semi-conducteurs, les carbures de semi-conducteurs, plus particulièrement parmi les semi-conducteurs et les nitrures de semiconducteurs, seuls ou en associations ou combinaisons de deux ou plusieurs d'entre eux. Des exemples préférés de tels matériaux sont Si, SiC, SJsN4, AIN, Ga, Ge, GaN, InN, GaAs, GaAsAI, AIGaN, seuls ou en associations ou combinaisons de deux ou plusieurs d'entre eux. On préfère tout particulièrement les pointes constituées de silicium (Si) ou de nitrure de silicium (SisN4) ou d'une association ou combinaison de ces deux matériaux en proportions quelconques. De manière tout particulièrement préférée, les pointes sont constituées de silicium.
[0025] II doit être compris dans la présente invention que le terme « silicium », utilisé en tant que tel ou dans les expressions « pointe de silicium », « tranche de silicium » et autres, englobe non seulement le silicium en tant que tel, mais aussi tout autre matériau semi-conducteur tel que défini ci-dessus, en particulier le nitrure de silicium, seul ou en association/combinaison avec le silicium, qui peut être utilisé de manière équivalente au silicium dans les domaines envisagées. Ainsi, la présente invention englobe également les procédés de croissance améliorée de nanotubes de carbone tels que définis ci-dessus, sur des pointes en nitrure de silicium, seul ou en association/combinaison avec le silicium.
[0026] Les inventeurs ont ainsi découvert de manière surprenante que le dépôt du bicouche défini ci-dessus permet la localisation et l'ancrage, avec une bonne tenue mécanique, d'un nanotube de carbone isolé, ou d'un petit faisceau isolé de 2 à 3 nanotubes, mono-paroi ou avec un nombre de parois ≤ 4, généralement 2 ou 3 parois, à l'apex d'une pointe nanométrique.
[0027] Selon un mode de réalisation de l'invention, la couche de cobalt est de préférence formée sur la couche de titane. Selon un autre mode de réalisation, la couche de titane est formée sur la couche de cobalt. [0028] L'invention réside ainsi dans la mise en œuvre du procédé CVD, de préférence HFCVD, associé à un bicouche titane/cobalt déposé préalablement sur une pointe nanométrique qui permet d'accroître la probabilité de localiser un nanotube de carbone, ou un petit faisceau de nanotubes de carbone, par rapport à un même procédé utilisant une seule couche de catalyseur de croissance de nanotubes.
[0029] II doit également être compris que la pointe peut être recouverte en totalité ou en partie par le bicouche précédemment défini. Lorsqu'une partie de la pointe seulement est recouverte du bicouche, on préfère que le revêtement soit présent au moins au voisinage de l'extrémité de la pointe (apex), voire sur l'extrémité de la pointe. Les techniques de revêtement partiel d'une couche de catalyseur sont connues de l'homme du métier et peuvent être appliquées au bicouche du procédé de la présente invention. [0030] Selon un autre aspect, la présente invention permet un contrôle de la longueur des nanotubes, par variation de l'épaisseur de la couche de cobalt, sans altérer sensiblement la probabilité de localisation d'un nanotube à l'apex d'une pointe. Ainsi, selon l'application visée, les nanotubes greffés selon le procédé de l'invention peuvent par exemple présenter une longueur comprise entre quelques dizaines de nm et quelques μm, avantageusement inférieure ou égale à 1 μm.
[0031] Plus précisément, leur longueur est comprise entre 20 nm et 3 à 4 μm, de préférence encore entre 100 à 500 nm et 1 μm. Par exemple, pour des applications en microscopie de force atomique (AFM), le procédé de la présente invention permet d'obtenir des nanotubes de carbone greffés de longueur précisément contrôlée comprise entre 200 nm et 300 nm. Pour d'autres applications, d'autres longueurs précisément contrôlées peuvent être obtenues. [0032] Les nanotubes présentent également l'avantage d'être greffés sensiblement à l'apex de la pointe et dans une orientation, suivant l'axe de la pointe, égale à ± 20°. Ces propriétés permettent notamment d'obtenir d'excellentes qualités d'imagerie par microscopie de force atomique. [0033] Ces excellentes qualités d'imagerie résultent notamment de la robustesse de l'assemblage due au procédé de l'invention, de l'absence de réaction chimique avec la surface à étudier, grâce au constituant inerte du nanotube qui est du carbone.
[0034] Par ailleurs, en raison du faible nombre de nanotubes greffés (un nanotube voire seulement un petit faisceau de nanotubes) et de leur orientation (± 20° par rapport à l'axe de la pointe), il est possible de réaliser des imageries avec d'excellentes résolutions latérales de flancs raides, des imageries avec d'excellentes résolutions de surfaces présentant des rugosités/aspérités (creux et bosses), ou des ruptures (passages de courant). [0035] Ces résolutions peuvent être inférieures ou égales à 5 nm avec des temps d'analyse réduits par rapport à des sondes conventionnelles de haute résolution, par exemple des temps d'analyse réduits d'un facteur pouvant aller jusqu'à environ 10, sans altération de la résolution. [0036] Le procédé de l'invention est une technique d'auto-assemblage qui permet, par simple dépôt d'au moins le bicouche précédemment défini, d'optimiser et de localiser la croissance par technique (HF)CVD d'un nanotube à l'apex d'une pointe nanométrique, de préférence une pointe de silicium et/ou de nitrure de silicium. Ce procédé est ainsi particulièrement adapté à la fabrication par lots (« batch ») de nanotubes de carbone greffés sur des pointes nanométriques réparties sur une surface, sans nécessiter un quelconque posttraitement.
[0037] Les inventeurs ont en effet découvert que le procédé de l'invention permet d'accroître la probabilité de greffage de nanotubes de carbone de longueur comprise entre 20 nm et 3 à 4 μm, par rapport aux procédés connus de l'art antérieur.
[0038] II est par exemple connu que, pour des pointes commerciales, revêtues par une unique couche de cobalt (catalyseur de croissance des nanotubes de carbone) avant l'étape de croissance des nanotubes de carbone, le taux de réussite de croissance d'un nanotube de carbone isolé à l'apex de la pointe varie généralement entre 20% et 60%, selon les conditions opératoires, et les nature, qualité, taille, et forme des pointes.
[0039] Selon le procédé de la présente invention, les pointes préalablement revêtues du bicouche titane/cobalt précédemment défini sont greffées par un nanotube de carbone isolé (ou un petit faisceau de nanotubes isolé, comme défini précédemment) avec un taux de réussite amélioré, allant de 40% à 80%, généralement de 50% à 80%, pour un nombre minimum d'au moins 100 pointes, traitées par lots d'au moins 30 pointes. Il a même été observé un taux de réussite de 100% sur des lots de 10 pointes de silicium. [0040] On définit le taux de réussite comme le rapport entre le nombre de pointes greffées par un nanotube isolé ou un petit faisceau isolé de nanotubes, comme précédemment défini, et le nombre total de pointes engagées dans le procédé de l'invention, exprimé en pourcentage. [0041] En d'autres termes, le procédé de la présente invention permet, de manière simple et sans étape de post-traitement d'améliorer le rendement des procédés connus de l'art antérieur d'un facteur de l'ordre de 2, voire supérieur à 2, et donc d'abaisser de manière significative le coût de fabrication des pointes greffées et par conséquent leur prix de revient. [0042] Selon encore un autre aspect, le procédé de l'invention, comprenant l'étape d'application du bicouche décrit précédemment, évite la génération d'un grand nombre de nanotubes sur la surface de la pointe, tout en favorisant la croissance d'au moins un nanotube isolé à l'apex de la pointe. [0043] En effet, le procédé de l'invention met en œuvre une épaisseur de cobalt plus faible que celle couramment utilisée dans le domaine. Cette plus faible épaisseur de cobalt entraîne une forte diminution de la densité de tubes déposés sur le substrat (pointe, cantilever, sonde, feuille (« wafer ») et autres) et permet ainsi audit substrat de conserver son aspect, notamment couleur et brillance, et donc son pouvoir réfléchissant dans le visible. Ceci permet d'au moins conserver les propriétés initiales du substrat.
[0044] Sans vouloir être lié par la théorie, il a été constaté que, toutes choses égales mises à part, dans le bicouche du procédé de l'invention, la variation de la quantité de cobalt, connu pour catalyser la réaction de croissance de nanotubes de carbone, permet de faire varier la longueur des nanotubes, et que la variation de la quantité de titane permet de faire varier la densité de nanotubes de carbone.
[0045] En d'autres termes, il est considéré que la présente invention permet de découpler la probabilité d'ancrage d'un nanotube de carbone (ou d'un petit faisceau de nanotubes de carbone) essentiellement gouvernée par le titane, de la longueur du (ou des) nanotube(s) qui dépend essentiellement de l'épaisseur de la couche de cobalt. [0046] En outre, les nanotubes de carbone, obtenus à l'apex de pointes selon le procédé de la présente invention, sont sensiblement voire totalement uniformes au sein d'un même lot et entre différents lots.
[0047] Ainsi les présents inventeurs sont parvenus à optimiser le rapport titane/cobalt, afin d'optimiser le compromis faible densité de croissance/petit diamètre/longueur des nanotubes à l'apex de pointes nanométriques, conduisant à une probabilité accrue d'une localisation et d'un ancrage résistant d'un nanotube de carbone (ou d'un petit faisceau de nanotubes de carbone) à l'extrémité (apex) de pointes.
[0048] Selon un autre avantage de la présente invention, le diamètre et la structure (mono-paroi, multi-parois) des nanotubes sont sensiblement uniformes.
[0049] Le diamètre des nanotubes greffés selon le procédé de la présente invention est généralement de l'ordre de 1 à 8 nm, de préférence de l'ordre de 1 à 5 nm, typiquement de l'ordre de 1 à 3 nm pour des nanotubes mono-paroi, et de l'ordre de 2 nm à 5 nm pour des nanotubes à deux parois concentriques.
[0050] La première étape du procédé de l'invention concerne ainsi le dépôt d'un bicouche comprenant titane et cobalt, tel que défini précédemment, sur tout type de substrat, notamment un substrat semi-conducteur, par exemple en silicium et/ou en nitrure de silicium, tel que par exemple un « wafer » (tranche de silicium), une sonde ou un cantilever, comprenant au moins une pointe à l'apex de laquelle la croissance d'un nanotube (ou d'un petit faisceau de nanotubes) de carbone selon le procédé de l'invention est souhaitée.
[0051] Le dépôt des couches minces peut être effectué par tout procédé connu de l'homme du métier et, par exemple, par évaporation, pulvérisation ou tout autre procédé de dépôt de couches minces habituellement utilisé avec les substrats utilisables dans le cadre de la présente invention. [0052] Pour les besoins de la présente invention, les épaisseurs de titane et cobalt sont mesurées à l'aide d'un quartz dont la fréquence propre varie de façon connue lorsqu'il se recouvre d'une couche mince et donc que sa masse augmente. Ce quartz est positionné au plus près de la surface de dépôt. Cette mesure d'épaisseur est contrôlée une fois pour toute par mesure de hauteur de marche sur un substrat étalon où l'on a déposé le matériau.
[0053] Dans une deuxième étape, la croissance des nanotubes est réalisée par mise en œuvre d'un procédé catalytique par dépôt chimique en phase vapeur, de préférence assisté d'un filament chaud (procédé HFCVD), connu de l'homme du métier, et comme par exemple décrit par L. Marty et coll. {Microelectronic Engineering, 6^-62(1), (2002), 4585-489). [0054] Cette étape de croissance est généralement effectuée en présence d'une atmosphère d'hydrocarbure gazeux, tel que le méthane, l'éthylène ou l'acétylène, de préférence le méthane, et éventuellement, mais de préférence, d'hydrogène et à une température voisine de 8000C.
[0055] II est en effet connu que des nanotubes de carbone peuvent se former par réaction entre une vapeur carbonée et des particules catalytiques, typiquement cobalt, fer ou nickel, qui ont la propriété de dissoudre le carbone situé en leur surface.
[0056] Dans la technique de dépôt chimique en phase vapeur assisté d'un filament chaud, les particules catalytiques sont formées in situ par démouillage d'une couche mince de cobalt préalablement déposée sur un substrat sous l'effet d'une élévation de température brutale. La vapeur est décomposée par un filament chauffé vers 1900-20500C et placé en regard de la surface du substrat.
[0057] La vapeur carbonée, source de carbone et d'hydrogène atomique, a pour propriété de gazéifier les formes de carbone désordonnées. La réaction catalytique des particules de cobalt avec la vapeur carbonée sur un substrat revêtu du bicouche précédemment défini et porté à une température de l'ordre de 700-9000C permet d'obtenir des nanotubes mono-paroi ou multi-parois à faible nombre de parois (≤ 4) et de bonne qualité cristalline. [0058] Le procédé de la présente invention est un procédé de croissance catalytique d'un nanotube de carbone isolé ou d'un petit faisceau isolé de nanotubes de carbone, à l'apex d'une pointe nanométrique, par exemple en silicium et/ou en nitrure de silicium, par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), ^ 1—
par exemple dépôt chimique en phase vapeur assisté d'un filament chaud (HFCVD), comprenant : a) le dépôt sur la totalité ou une partie de ladite pointe d'un bicouche de titane et de cobalt, la couche de titane ayant une épaisseur comprise entre 0,1 nm et 0,2 nm et la couche de cobalt ayant une épaisseur comprise entre 0,3 nm et 2 nm ; b) la mise en œuvre d'un procédé catalytique par dépôt chimique en phase vapeur, de préférence assisté d'un filament chaud (procédé HFCVD), de croissance dudit nanotube ou dudit petit faisceau de nanotubes ; et c) l'obtention de la pointe, à l'apex de laquelle est greffé un nanotube de carbone isolé ou un petit faisceau isolé de nanotubes de carbone, monoparoi ou multi-parois à faible nombre de parois (≤ 4).
[0059] Comme indiqué précédemment, le substrat revêtu, en totalité ou partiellement, du bicouche titane/cobalt selon l'invention comporte au moins une pointe. Cette pointe peut être de toutes formes et tailles convenables pour les applications envisagées, et en particulier de formes géométriques diverses, à base carré, rectangulaire, triangulaire, circulaire, et autres, c'est-à-dire des pointes de forme conique ou pyramidale, ces pointes pouvant éventuellement être tronquées.
[0060] Un substrat, tel qu'un wafer, une sonde, un cantilever, ou une pointe, revêtue d'un bicouche titane/cobalt, la couche de titane ayant une épaisseur comprise entre 0,1 nm et 0,2 nm et la couche de cobalt ayant une épaisseur comprise entre 0,3 nm et 2 nm est nouveau et est compris dans le champ de la présente invention.
[0061] Ledit substrat comprend, ou est essentiellement constitué de, un ou plusieurs matériaux semi-conducteurs, tels qu'ils ont été définis précédemment, et de préférence le substrat est comprend du, ou est constitué de, silicium, de nitrure de silicium ou d'une association/combinaison de silicium/nitrure de silicium.
[0062] II doit être compris que ledit substrat comporte au moins une pointe, et que ledit substrat peut être revêtu en totalité ou en partie dudit bicouche, pour autant que ladite pointe soit revêtue dudit bicouche, au moins sur sa partie effilée, à l'apex, ou au moins au voisinage de l'apex de ladite pointe.
[0063] Selon un autre aspect, la présente invention est relative au procédé de croissance de nanotubes de carbone à l'apex de pointes, ledit procédé étant effectué par lots (batch). L'expression « par lots » signifie qu'il est possible de traiter simultanément un grand nombre de pointes, généralement disposées sur un substrat. [0064] L'invention résout donc le problème de l'ancrage d'un nanotube (ou d'un petit faisceau de nanotubes de carbone) isolé à l'apex d'une pointe, pour tout nanodispositif, c'est-à-dire tout substrat comportant au moins une pointe, ceci avec une technique d'auto-assemblage par lots, en d'autres termes de faire croître simultanément à l'apex des pointes de plusieurs nanodispositifs, un nanotube de carbone isolé, ou un petit faisceau isolé de nanotubes de carbone. [0065] Les nanodispositifs peuvent donc être traités simultanément, par lots, lesdits nanodispositifs étant généralement répartis sur des surfaces de toutes tailles, par exemple des surfaces de 2 pouces (5,08 cm) de diamètre, de 4 pouces (10,16 cm) de diamètre, voire des surfaces de 6 pouces (15,24 cm) de diamètre. Des substrats (par exemple tranches de silicium) commerciaux possédant les dimensions ci-dessus peuvent par exemple comporter respectivement jusqu'à 120 dispositifs, jusqu'à 480 dispositifs, voire jusqu'à 1080 dispositifs qui peuvent tous être traités simultanément selon le procédé de l'invention, c'est-à-dire revêtement du bicouche et croissance des nanotubes. [0066] Grâce au procédé de l'invention, le taux de réussite, c'est-à-dire le pourcentage de pointes à l'apex desquelles est greffé un nanotube de carbone isolé, ou un petit faisceau isolé de nanotubes de carbone comme décrit précédemment, peut aller de 40% à 80%, voire 100%.
[0067] Ce taux de réussite (présence ou non d'un nanotube ou d'un petit faisceau de nanotubes à l'apex d'une pointe) est évalué par observation des pointes à l'aide d'un microscope électronique à balayage, de type à émission de champ. [0068] Ainsi, la présente invention vise un procédé de croissance optimisé de nanotubes de carbone à l'apex de pointes. Les applications de ces pointes greffées selon le procédé de la présente invention par au moins un nanotube ou un faisceau de 2 à 3 nanotubes de carbone sont nombreuses, comme cela est connu dans la technique et comme pourra l'imaginer l'homme du métier, en fonction des développements technologiques.
[0069] À titre d'exemple, et de manière non limitative, les pointes greffées par un nanotube de carbone isolé, ou un faisceau isolé de 2 à 3 nanotubes de carbone, obtenues selon le procédé de l'invention pourront avantageusement être utilisées dans le domaine de la technologie de la microscopie de champ proche et de la microscopie de force atomique.
[0070] D'autres applications ou développements dans lesquels pourront intervenir les pointes greffées selon le procédé de l'invention sont celles et ceux faisant appel à des dispositifs nécessitant la localisation, l'ancrage et l'orientation d'un nanotube de carbone en un point avec une extrémité libre, ou en deux points, sans extrémité libre, dans des nanodispositifs en silicium ou en nitrure de silicium, tels que NEMS (« Nano Electro Mechanical Systems »), transistors, capteurs, et autres, ou encore à la fabrication de NEMS, de circuits électriques ou de capteurs à base de nanotubes de carbone.
[0071] Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, lorsque le nanotube de carbone est ancré à l'apex d'une pointe, et l'autre extrémité du nanotube est libre, ladite pointe peut être utilisée dans une sonde de haute performance pour la Microscopie de Force Atomique, notamment pour l'imagerie de protéines ou autres matériels biologiques.
[0072] Lorsque le nanotube est suspendu entre deux points, dont l'un est l'apex d'une pointe, l'autre étant une surface, une autre pointe, une électrode, ou autre, ledit nanotube peut alors être un élément de tout type de nanodispositif, tels que transistors, NEMS, ou autres. [0073] Le procédé de la présente invention permet en effet d'obtenir un taux de réussite amélioré non seulement pour le greffage d'un nanotube isolé ou d'un petit faisceau isolé de nanotubes à l'extrémité d'une pointe, mais aussi, un taux de réussite amélioré pour le greffage d'un nanotube isolé ou d'un petit faisceau isolé de nanotubes à l'extrémité d'une pointe, conjointement avec la croissance et l'ancrage dudit nanotube isolé ou d'un petit faisceau isolé de nanotubes sur une autre pointe, une surface, une électrode ou autre d'un nanodispositif, tel qu'un transistor, NEMS ou autre.
[0074] Les exemples qui suivent sont uniquement donnés aux fins d'illustrer la présente invention et ne présentent aucun aspect limitatif du champ de protection conféré par les revendications annexées à la présente description.
Exemples
[0075] On réalise divers procédés de croissance de nanotubes dans les conditions opératoires suivantes :
- Température du filament : 18500C à 21000C ; - Température du substrat : 700°C à 9000C ;
- Quantité d'hydrocarbure (méthane) : 5% à 20% en volume dans l'hydrogène ;
- Pression totale : 20 mbars à 200 mbars.
[0076] Dans les conditions opératoires décrites ci-dessus, et avec des pointes silicium (nombre total : 529) de forme pyramidale revêtues d'une seule couche de cobalt d'épaisseur de 3,5 nm à 7 nm, le taux de greffage d'un nanotube isolé (ou d'un petit faisceau isolé de nanotubes) à l'apex des pointes est d'environ 18%. [0077] Dans les mêmes conditions, les pointes de forme pyramidale (nombre total : 600) étant cette fois-ci revêtues d'une couche de titane de 0,1-0,2 nm puis d'une couche de cobalt de 0,3 nm à 2 nm, le taux de greffage d'un nanotube isolé (ou d'un petit faisceau isolé de nanotubes) à l'apex des pointes est d'environ 50%, soit une augmentation d'environ 245%. [0078] Dans les mêmes conditions opératoires, et sur pointes silicium de forme conique, le taux de greffage passe de 60% avec une couche unique de cobalt d'épaisseur optimisée de 4 nm, pour atteindre 80% avec une couche de titane de 0,1 nm revêtue d'une couche de cobalt de 1 nm d'épaisseur. [0079] Le procédé de la présente invention permet ainsi non seulement d'augmenter de façon significative la probabilité de greffage d'un nanotube isolé (ou d'un petit faisceau isolé de nanotubes) à l'apex des pointes, mais aussi de diminuer fortement la quantité de cobalt requise pour la croissance des nanotubes, avec l'avantage de conserver au cantilever au moins son pouvoir de réflexion initiale.
[0080] A contrario, lors d'un procédé de croissance de nanotubes sur une pointe revêtue d'une unique couche de cobalt d'épaisseur égale à 7 nm, on observe un dépôt noirâtre formé d'une forte densité de particules de cobalt graphitisées et de nanotubes.
[0081] Les figures annexées à la présente description ont pour but d'illustrer certaines formes de réalisation de l'invention sans y apporter une quelconque limitation. • La Figure 1 montre une pointe de forme pyramidale dont l'extrémité est greffée, selon le procédé de la présente invention, par un nanotube de carbone isolé de longueur d'environ 430 nm.
• Les Figures 2 et 3 montrent respectivement une pointe greffée par un nanotube de carbone isolé sur une pointe effilée de forme conique et sur une pointe effilée de forme pyramidale.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de croissance catalytique d'un nanotube de carbone isolé à l'apex d'une pointe nanométrique par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), par exemple dépôt chimique en phase vapeur assisté d'un filament chaud (HFCVD), comprenant une étape consistant à recouvrir au préalable, en totalité ou en partie, ladite pointe d'un bicouche de titane et de cobalt, la couche de titane ayant une épaisseur comprise entre 0,1 nm et 0,2 nm et la couche de cobalt ayant une épaisseur comprise entre 0,3 nm et 2 nm.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel la pointe est une pointe en silicium ou en nitrure de silicium ou en silicium et nitrure de silicium.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la pointe est une pointe en silicium ou en silicium et nitrure de silicium, de préférence en silicium.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le nanotube greffé est un petit faisceau de nanotubes.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche de cobalt est formée sur la couche de titane, ou bien la couche de titane est formée sur la couche de cobalt, de préférence la couche de cobalt est formée sur la couche de titane.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dépôt du bicouche est effectué selon un procédé par évaporation.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dépôt chimique en phase vapeur, de préférence assisté d'un filament chaud, est réalisé en présence d'une atmosphère d'hydrocarbure gazeux, tel que le méthane, l'éthylène ou l'acétylène, de préférence le méthane, et éventuellement, mais de préférence, d'hydrogène et à une température comprise entre 700 et 9000C, de préférence voisine de 8000C.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pointe revêtue, en totalité ou partiellement, dudit bicouche présente une forme pyramidale ou une forme conique.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé sur un lot de pointes.
10. Substrat comportant au moins une pointe, revêtue en totalité ou en partie d'un bicouche titane/cobalt, la couche de titane ayant une épaisseur comprise entre 0,1 nm et 0,2 nm et la couche de cobalt ayant une épaisseur comprise entre 0,3 nm et 2 nm.
11. Substrat selon la revendication 10, qui comprend du, ou est constitué de, silicium, de nitrure de silicium ou d'une association/combinaison de silicium/nitrure de silicium.
12. Substrat selon la revendication 10 ou la revendication 11 , qui est un nanodispositif, une sonde ou un cantilever.
13. Substrat comprenant un ou plusieurs dispositifs, pointes ou cantilevers, revêtus en totalité ou partiellement, d'un bicouche titane/cobalt, la couche de titane ayant une épaisseur comprise entre 0,1 nm et 0,2 nm et la couche de cobalt ayant une épaisseur comprise entre 0,3 nm et 2 nm.
14. Substrat selon la revendication 13, qui comprend du, ou est constitué de, silicium, de nitrure de silicium ou d'une association/combinaison de silicium/nitrure de silicium. ^ 8-
15. Pointe nanométrique, à l'apex de laquelle est greffé un nanotube de carbone isolé, ou un petit faisceau isolé de 2 à 3 nanotubes, mono-paroi ou avec un nombre de parois inférieur à 4, généralement 2 ou 3 parois.
s 16. Pointe selon la revendication 15, qui comprend du, ou est constituée de, silicium, de nitrure de silicium ou d'une association/combinaison de silicium/nitrure de silicium.
17. Pointe selon la revendication 15 ou la revendication 16, dans laquelle leo ou les nanotube(s) présente(nt) une longueur comprise entre 20 nm et 3 à 4 μm, de préférence encore entre 100 à 500 nm et 1 μm, de manière tout à fait préférée, comprise entre 200 nm et 300 nm.
18. Pointe selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, dans5 laquelle le ou les nanotube(s) est(sont) greffé(s) sensiblement à l'apex de la pointe et dans une orientation, suivant l'axe de la pointe, égale à ± 20°.
19. Utilisation d'une pointe ou d'un substrat selon l'une quelconque des revendications 10 à 18, en tant que sonde pour la microscopie de champ0 proche ou la microscopie de force atomique.
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