Fabrication de transistors à base de nanotubes de carbone par dépôt d'APTS

Principales étapes

1. Purification des nanotubes de carbone
   • a) Reflux d'acide nitrique
   • b) Filtration
   • c) Reflux dans l'eau
   • d) Filtration
2. Solubilisation des nanotubes de carbone
   • a) Mise en solution
   • b) Sonication et centrifugation (procédure à optimiser)
   • c) Spectre d'absorption
3. Fonctionnalisation du substrat
   • a)Nettoyage au PIRANHA
   • b)Dépôt APTS
   • c)Étuvage
   • d)Dépôt des tubes
4. Imagerie AFM et/ou SEM des dépôts
5. Lithographie
6. Dépôt de métal
7. Liftoff
8. Mesures électriques

 1) Purification

a) Reflux d'acide nitrique

Reflux d'acide nitrique concentré pendant 4h. (Pas plus que 100 mg de matériaux brut dans 300 ml de solution d'acide nitrique). Le volume de la solution varie environ entre 50 ml et 300ml selon la situation. On obtient environ 25% de matériau initial purifié.

• Peser la quantité de tubes bruts sous la hotte (ex. 25 mg HIPCO).Prendre 3 fois la mesure sur la balance.
  
• Préparer une solution d'acide nitrique ayant la concentration désirée (ex. une solution de 50 ml ayant une concentration de 10% d'acide nitrique). Pour se faire, le volume d'acide nitrique de la solution commerciale (70%) nécessaire doit être calculé (ex. 7.1 ml d'acide nitrique à 70% versé dans 42.9 ml d'eau génèrent 50 ml d'une solution d'acide nitrique à 10%). VERSER ACIDE DANS L'EAU dans un erlenmeyer!!!!!. Utiliser un cylindre gradué avec un bec verseur pour mesurer et verser l'acide
  
• Déposer la quantité de tubes mesurée dans la solution
  
• Mettre l'aimant dans l'erlenmeyer pour mélanger la solution.
  
• Refroidir l'erlenmeyer en faisant circuler l'eau dans les conduits. S'assurer qu'il n'y a pas de fuite d'eau.
  
• Chauffer la solution pendant 4 heures. Quelle température? Comment savoir que l'on est à la bonne température? 

b) Filtration 

• Rassembler toute la verrerie nécessaire à la filtration (énumération???)
  
• Placer un filtre de téflon, petit ou gros dépendamment du type de verrerie utilisé. Ces filtres ne laissent pas s'écouler l'eau s'il n'y a pas été préalablement imbibé d'acétone.
  
• Enlever l'aimant dans l'erlenmeyer à l'aide de la tige aimantée.
  
• Préparer deux béchers d'eau (environ xxxxx ml) et deux béchers d'acétone (environ xxxx ml). Est-ce bien ça?
  
• Mettre le montage sous vide pour aider la filtration
  
• Remplir la trappe à azote liquide pour piéger les vapeurs d'acétone
  
• Verser rapidement \bf xxxxxxml \rm d'acétone pour permettre au filtre de laisser passer la solution d'acide nitrique aqueuse.
  
• Juste avant qu'il ne reste plus d'acétone, verser xxxxx ml d'eau pour diluer l'acétone. Cette étape est importante, car une solution acide ne doit jamais être en contant avec un solvant. Le volume d'acétone doit donc être faible et très dilué.
  
• Verser la solution d'acide nitrique dans le filtre.
  
• Juste avant qu'il ne reste plus de solution, verser un bécher d'eau pour ne pas que l'acide soit en contact direct avec l'acétone, suivi d'un bécher d'acétone pour permettre de sécher le filtre.
  
• Récupérer les tubes qui sont sur le filtre avec une pince.
  
• Ouvrir le robinet et verser le contenu de la solution dans le lavabo très lentement pour bien la diluer. Ne pas verser cette solution dans la récupération d'acide nitrique étant donné que la solution contient de l'acétone.
  
• Bien rincer tout ce qui a été en contact avec l'acide nitrique. 

c) Reflux dans l'eau 

• Mettre la poudre de nanotubes de carbone qui a été récupéré dans le filtre suite au reflux d'acide nitrique dans un volume d'eau égal au volume de la solution d'acide nitrique.
  
• Mettre l'aimant dans l'erlenmeyer pour mélanger la solution.
  
• Refroidir l'erlenmeyer en faisant circuler l'eau dans les conduits. S'assurer qu'il n'y a pas de fuite d'eau.
  
• Chauffer la solution pendant 2 heures. Quelle température????? 

d) Filtration 

• Rassembler toute la verrerie nécessaire à la filtration
  
• Placer un filtre de téflon, petit ou gros dépendamment du type de verrerie utilisé. Ces filtres ne laissent pas s'écouler l'eau s'il n'y a pas été préalablement imbibé d'acétone
  
• Enlever l'aimant dans l'erlenmeyer à l'aide de la tige aimantée
  
• Préparer deux béchers d'eau \bf (environ xxxxx ml) \rm et deux béchers d'acétone (environ xxxx ml). Est-ce la même procédure que pour le cas de l'acide?
  
• Mettre le montage sous vide pour aider la filtration
  
• Remplir la trappe à azote liquide pour piéger les vapeurs d'acétone
  
• Verser rapidement xxxxxxml d'acétone pour permettre au filtre de laisser passer la solution d'acide nitrique aqueuse.
  
• Juste avant qu'il ne reste plus d'acétone, verser xxxxx ml d'eau. Est-ce que cette étape est vraiment nécessaire????
  
• Verser la solution de nanotubes de carbone dans le filtre.
  
• Juste avant qu'il ne reste plus de solution, verser un bécher d'eau (est-ce bien nécessaire?), suivi d'un bécher d'acétone pour permettre de sécher le filtre.
  
• Récupérer les tubes qui sont sur le filtre avec une pince. 

2) Solubilisation

a) DMF

Mettre les tubes purifiés (poudre) dans du DMF, environ 1 mg/ml (volume de la solution d'environ 10-20 ml à la fois)

b) Sonication et centrifugation (procédure à optimiser) 

• 60 minutes bain ultrason:
  Pour une meilleure efficacité de sonication, vider une partie de l'eau du bain ultrason à partir des tuyaux à l'arrière jusqu'à ce qu'un maximum de l'onde stationnaire se trouve à la surface du bain.
  

• 60 min «cup horn: 
  Cette sonication est plus violente que dans le bain ultrason.
  Paramètres: Duty cycle 80 (sonication 80% du temps), Output control 5
  
• Centrifugation 10000g pendant 1heure
  Dans la centrifugeuse, chaque tube de solution nanotubes de carbone doit avoir un tube qui sert de contre-poids ayant exactement le même poids avec une incertitude d'environ 3mg. Pour ce faire, le tube avec la solution de nanotube de carbone (avec le bouchon et le socle) est considéré comme le zéro (tare). La quantité d'eau nécessaire est ensuite ajustée avec une pipette dans le tube de référence. ATTENTION: deux tubes identiques (ou bouchon ou socle) n'ont pas la même masse dans le cadre de cette incertitude.
  
• Filtrez-le surnageant
  Suite à la centrifugation, sortir les tubes délicatement et à l'aide d'une pipette, sortir uniquement le surnageant à la surface. Lorsque des particules commencent à être visible en transmission dans la pipette, tout le surnageant à été récupéré.
  

c) Spectre d'absorption

Remplir les creusets spécifiques aux spectres d'absorption avec la solution de nanotube de carbone. Il se peut que la solution originale se doive d'être diluée, car la solution ne doit pas être trop opaque pour réaliser le spectre d'absorption.

3) Fonctionnalisation du substrat

a) PIRHANA 

• Mettre les échantillons sur le porte-échantillon désigné pour le montage d'APTS.
  
• Déposer le bécher de 250 ml (identifié« par PIRHANA SEULEMENT») dans le bécher VWR (150x75 ml)
  
• Verser 50 ml de peroxyde (HYDROGEN PEROXIDE, 30-32 wt %) lentement dans le bécher de 250 ml
  
• Verser 150 ml d'acide sulfurique lentement (la solution bulle et fait de la fumée)
  
• Mettre le porte-échantillon dans le PIRHANA lentement
  
• Recouvrir avec le gros bécher de 1L (identifié «VERRERIE PIRHANA PROTECTION»)
  
• Laisser agir pendant 20 min
  
• Remplir un bécher de 1L avec de l'eau du robinet
  
• En utilisant les gants à acide, transférer le porte-échantillon dans le bécher d'eau
  
• Transférer de nouveau le porte échantillon dans un autre bécher d'eau pour s'assurer qu'il n'y a plus d'acide concentré sur le porte-échantillon.
  
• À l'aide du papier pH, s'assurer que l'eau dans les béchers est suffisamment diluée pour être versée directement dans le lavabo)
  

Laisser le piranha refroidir quelques heures et le verser dans la récupération acide sulfurique.

b) Dépôt APTS
!!!!!En premier lieu, aller chercher de l'azote liquide
i) S'ASSURER QUE LE VIDE EST CONSERVÉ PENDANT LA DURÉE DU DÉPÔT 

• Rincer le petit bécher (celui qui est dans la chambre à vide) à l'IPA et bien le sécher. Une fois terminée, le remettre dans la chambre à vide
  
• Nettoyer les lamelles de verre à L'IPA et les déposer sur le bécher
  
• Inverser le bouchon
  
• Fermer la valve permettant de faire le vide dans la tournette
  
• Partir la pompe pour pomper le tuyau (la valve de la chambre est fermée)
  !!!!! Pas besoin de mettre le scellant de métal pour cette partie
  
• Ouvrir la valve de la chambre pendant 60 secondes pour permettre de pomper dans la chambre
  
• Fermer la valve de la chambre
  
• S'assurer que le vide est conservé pendant 30 secondes, soit la durée du dépôt d'APTS
  ii) REMPLIR UNE SERINGUE DE 1 mL D'APTS
  Utiliser une aiguille 21G1/2 pour introduire l'azote dans la bouteille d'APTS et utiliser l'aiguille en métal pour retirer l'APTS. Une plus grosse aiguille risquerait de faire perdre l'étanchéité de la bouteille d'APTS.
  
• Remplir un petit bécher d'IPA
  
• Accrocher l'aiguille de métal au bout du tuyau et la barrer
  
• Vérifier la pression d'azote en mettant l'aiguille dans le bécher de IPA. Le flux d'azote ne doit pas être trop intense.
  !!!!! Il est possible qu'il soit nécessaire de décrocher l'autre jonction d'azote, c'est-à-dire le tuyau d'azote permettant de sécher les échantillons pour qu'il y ait suffisamment de pression d'azote dans l'aiguille.
  
• Bien sécher le bout de l'aiguille avec un papier pour ne pas contaminer la bouteille d'APTS
  
• Mettre l'aiguille de métal sur une seringue de 5 ml
  
• Mettre l'autre aiguille (21 G 1/2) au bout du tuyau d'azote
  
• Insérer l'aiguille (21 G 1/2) accrochée au tuyau d'azote dans la bouteille d'APTS
  
• Insérer l'aiguille de métal dans l'autre trou de la bouteille d'APTS
  
• Prendre 1 ml d'APTS
  
• Enlever les deux aiguilles et les laisser de côté
  
  iii) SÉCHER LES ÉCHANTILLONS
  
• Rebrancher, s'il y a lieu, le conduit d'azote pour pouvoir sécher les échantillons
  
• Sortir les échantillons un par un avec des pinces
  
• Sécher les échantillons avec le gun à azote
  !!!!! La surface des échantillons devrait être hydrophile
  
• Mettre les échantillons sur les plaques de verre
  iv) DÉPÔT D'APTS
  
• Verser de l'azote liquide dans le petit contenant et le placer sur le montage
  
• Verser 1 ml d'APTS dans une ouverture sans toucher à ce qui est alentour pour ne pas qu'il y ait de polymérisation
  
• Fermer la chambre (pas avec le scellant de métal)
  
• Faire le vide pendant 1 min
  
• Fermer la valve pour isoler la chambre pendant 30 secondes
  
• Percer le bouchon avec le flux d'azote (aiguille 21G1/2) pour casser le vide
• Mettre les échantillons dans un pétrie de verre et aller les porter 30 minutes dans le four du lab de chimie
  -Nettoyer, avec de l'IPA, le contenant où est l'APTS pour ne pas qu'il polymérise.
  
• Rincer environ 5 fois l'aiguille de métal avec de l'IPA pour ne pas quelle polymérise
  
• Fermer la valve (switch) de la pompe pour ne pas pomper les vapeurs d'APTS qui désorbe dans le piège à azote qui réchauffe
  
• Remettre le scellant de métal sur le montage
  

c) Étuvage 

• Mettre les échantillons dans l'étuve du labo de chimie pour densifier (120^oC, 20 min)
  

4) Dépôt des nanotubes de carbone

a) Dépôt de tubes alignés 

• Ouvrir la valve qui permet de pomper la tournette
  !!!!!!Pour pouvoir faire le vide nécessaire à maintenir l'échantillon en place, l'entrée d'azote vers la tournette doit être ouverte.
  
• Faire tourner l'échantillon à 7000 tours/min
  
• Déposer quasi simultanément une goutte de solution de NTC (pipette de plastique) et une goutte de DCE (pipette qui calcule les doses avec précision, combien de ml???) au centre de l'échantillon. Deux personnes sont nécessaires pour réaliser cette étape.
  
• Répéter cette étape plusieurs fois pour augmenter la densité de NTC sur la surface de l'échantillon pour obtenir la densité de tubes désirée.
  

b) Dépôt de tubes aléatoires 

• Recouvrir complètement la surface de l'échantillon avec la solution de NTC
  !!!!!!Changer de pipette à chaque fois que l'on utilise une nouvelle solution de NTC pour ne pas faire de contamination
  
• Attendre 10 min
  
• Faire tourner la tournette à 5000 tours/minutes
  
• Attendre 30 secondes
  
• Verser environ 10 gouttes de DCE (combien de ml????) au centre de l'échantillon en rotation.
  

5) Imagerie AFM/SEM

6) Étapes de lithographie optique

À faire

7) Dépôt de metal

a) À vérifier avant de commencer 

• Regarder dans le log-book ce qui a été fait lors de la dernière utilisation, en particulier si quelque chose n'a pas fonctionné.
  
• Vérifier la pression. Si l'appareil est prêt à être utilisé, la pression devrait être dans les 10-7 mbar et l'appareil devrait indiquer «fine pumping». Si l'appareil indique seal il est probablement déjà en utilisation, et s'il indique pump failed il y a un problème.
  
• Vérifier que les 4 vannes d'eau contre le mur sont ouvertes.
  

b) Pour ouvrir l'évaporateur 

• Appuyer sur «seal», ce qui ferme la valve entre la chambre et la pompe.
  
• Appuyer sur «vent», ce qui introduit de l'azote dans la chambre.
  L'appareil change alors de jauge pour mesurer la pression, ce qui explique un brusque saut dans la lecture de pression. La pression augmente avec l'entrée d'azote.
  
• Quand la pression atteint 1000 mbar, on peut ouvrir la chambre de l'évaporateur.
  !!!

  !Mettre des gants pour manipuler tout l'intérieur de l'évaporateur et ce qu'on y introduit!

  
  
• L'évaporateur comporte deux montages :
  Par e-beam : à l'avant de la chambre, utilisé surtout pour évaporer les métaux avec une haute température de fusion (Ti-Pd-Cr-Co-Au)
  Par effet joule : au fond de la chambre, utilisé surtout pour évaporer les métaux avec une basse température de fusion (Al-Ag)
  Le montage non utilisé doit être couvert pour éviter toute contamination.
  

c) Pour installer l'échantillon 

• Faire tourner le porte-échantillon en maintenant enfoncé le bouton de droite du «rotary workholder», jusqu'à amener le boulon face à soi.
  
• Bien tenir le porte-échantillon par le dessous et dévisser le boulon.
  
• Sortir le porte-échantillon (attention : lourd).
  
• Fixer les échantillons sur une même région du porte-échantillon, avec le ruban adhésif double-face qui va sous vide (manipuler le ruban avec des gants).
  
• Vérifier que les échantillons sont bien fixés et replacer le porte-échantillon.
  
• Faire tourner le porte-échantillon de manière à positionner les échantillons derrière le cache.
  
• Placer la protection pour protéger la pompe.
  

d) CHOIX DU MÉTAL : 

• Faire tourner la grosse roulette à l'avant pour choisir le métal à évaporer.
  
• Vérifier que le bon creuset avec le bon métal est positionné dans la chambre. (Note : le Co et le Cr sont dans le même porte-creuset)
  
• Sur le boîtier FTM7-EDWARDS au-dessus du panneau de contrôle, sélectionner «layer» et choisir le numéro correspondant au métal choisi (voir dans la couverture du log book).
  

e) Préparation de la chambre: 

• Fermer la chambre.
  
• Appuyer sur «cycle», ce qui exécute automatiquement les étapes pour le pompage de la chambre : pompage par la pompe primaire jusqu'à 2x10-2mbar (environ 4 min), puis pompage par la turbo. Quand la pression atteint les 10-4mbar, l'appareil devrait afficher fine pumping.
  
• Prévoir de 30 minutes à 1 heure pour que la pression descende suffisamment.
  
• À partir de 10-5mbar, remplir le doigt froid sur le côté gauche d'azote liquide.
  
• L'évaporation peut commencer quand la pression atteint les 10-6mbar ou moins.
  

f) Évaporation du métal 

• Noter son nom, la date et la pression dans le log-book de l'évaporateur. La pression devrait être dans les 10-6mbar ou moins.
  
• Allumer la source (grosse boîte à gauche) et vérifier que des voyants jaunes sur EB3 source control s'allument.
  
• Enfoncer le bouton on sur EB3 source control.
  
• Attendre que le voyant jaune power allume.
  
• Vérifier que la roulette du courant est au minimum.
  
• Enfoncer le bouton gun sur EB3 source control. L'écran devrait afficher environ 5.25 kV et un courant du faisceau (« beam ») de 0.01 mA.
  
• Sur le boîtier FTM7-EDWARDS au dessus du panneau de contrôle, sélectionner rate, qui indique le taux d'évaporation en nm/s.
  
• Consulter les utilisations précédentes avec le même métal dans le log-book pour savoir les courants et taux d'évaporation utilisés.
  
• S'assurer que les échantillons sont derrière le cache et ouvrir le shutter en appuyant sur SS1.
  
• Appuyer sur meter pour voir le courant dans le filament et tourner doucement la roulette de courant pour l'augmenter au premier palier. Chronométrer la durée du palier (généralement 2 min).
  
• Noter dans le log book la durée du palier, le courant du filament et le courant du faisceau.
  
• Surveiller la pression, qui ne devrait pas augmenter de plus de deux ordres de grandeur. Si jamais la pression monte dans les 10-4mbar (le seuil du fine pumping), baisser complètement le courant.
  
• Répéter 10 à 12 pour plusieurs paliers. Attention : les derniers sont délicats! Vérifier le taux d'évaporation et observer le creuset par la vitre pour vérifier si l'évaporation commence. On sait que l'évaporation est commencée si on mesure un taux d'évaporation non nul.
  
• Quand le taux d'évaporation désiré est atteint, fermer le shutter et faire tourner le porte-échantillon pour placer les échantillons au-dessus du creuset.
  
• Simultanément ouvrir le shutter et appuyer sur «run» sur le boîtier FTM7-EDWARDS. Ceci commence le calcul de l'épaisseur de métal déposé (en nm sur l'écran de droite du boîtier FTM7-EDWARDS).
  
• Quand l'épaisseur désirée est atteinte, fermer le shutter et baisser rapidement la roulette de courant à zéro.
  
• Pour faire une autre évaporation, attendre au moins 15 minutes. Puis voir la section F et refaire les étapes 7 à 16.
  
• Lorsque toutes les évaporations sont terminées, appuyer sur gun.
  
• Attendre au moins 15 minutes.
  
• Appuyer sur le on du EB3 source control.
  
• Éteindre la source.
  
  Pour sortir l'échantillon, revoir les sections B et C. Finalement, replacer le porte-échantillon dans la chambre et refaire le vide en appuyant sur cycle.
  
  

8) PROCÉDURE POUR LE LIFT-OFF 

• Faire chauffer un bécher de Remover PG (armoire des solvants) sur une plaque chauffante entre 60 et 80°C. Attention : ne pas laisser ce produit chauffer sans surveillance, il peut spontanément s'enflammer s'il atteint son flash-point (88°C)
  
• Déposer les échantillons à la verticale (sur un support) dans le bécher.
  
• Laisser 20 minutes.
  
• Rincer les échantillons à l'isopropanol puis à l'eau distillée.
  
• Jeter le remover contenant du métal dans la récupération des solvants non chlorés.
  10) Mesures électriques

Acceuil