Nanostructuration Electrochimique du Silicium pour la Fabrication de Surfaces Fonctionnelles à un Coût Réduit – EASi-NANO

Le projet consiste en la fabrication de deux types de réseaux différents, constitués respectivement de nanofils de Si (SiNWs) et de Si nanoporeux Si (NPSI). Les deux axes de recherche, seront réalisés en parallèle et combinent les étapes de photolithographie simples et méthodes électrochimiques bottom-up et top-down. Contrairement à la majorité des processus de nanostructuration électrochimiques et chimiques existants, les techniques de EASi-NANO permettront un contrôle spatial à l’échelle micro- et nanométrique, qui est essentiel pour fabriquer des réseaux très organisés. En outre, ces processus seront parfaitement adaptés pour une préparation de routine de grandes surfaces dans des conditions ambiantes et sans la nécessité d'une salle blanche. L'utilisation pratique des deux types de surfaces développées dans EASi-NANO sera démontrée en les intégrant dans des dispositifs fonctionnels tels que des photoelectrodes pour la conversion d’énergie solaire et des transistors pour la biodétections.

Le projet EASi-NANO a permis l'obtention de plusieurs résultats importants qui sont détaillés ici.
Tout d'abord, nous avons pu développer une technique simple permettant de fabriquer des réseaux de nanopointes de silicium.
Ensuite, nous avons montré que la modification de surfaces de silicium avec des particules dispersées de nickel confère une résistance considérable au Si et est très efficace pour oxyder l’eau. Les résultats obtenus sont équivalent à ceux obtenus par des techniques beaucoup plus coûteuses comme le « e-Beam Sputtering ».
Aussi, Une étude complète de ce nouveau système nous a permis d’en élucider le mécanisme.
Enfin, en utilisant ces surfaces de silicium modifiées avec du nickel, nous avons récemment pu fabriquer un nouveau type de cellule photoélectrochimique « tout silicium » permettant d’électrolyser l’eau directement sous illumination, sans apport d’énergie par une source électrique.

Dans un future proche, nous prévoyons de de développer la fabrication de réseaux de nanofils de Si par nanoelectrodeposition et de les fonctionnaliser avec des molécules réceptrices pour en faire des systèmes de détection. Nous envisageons aussi de poursuivre les recherches sur les photoélectrodes en intégrant les substrats de nanopointes de Si, qui possèdent des propriétés optiques remarquables.

1. G. Loget, B. Fabre, S. Fryars, C. Mériadec, S. Ababou-Girard, Dispersed Ni nanoparticles stabilize silicon photoanodes for efficient and inexpensive sunlight-assisted water oxidation, 2017, ACS Energy Lett., 2, 569-573.
pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.7b00034

2. G. Loget, A. Vacher, B. Fabre, F. Gouttefangeas, L. Joanny, V. Dorcet, Enhancing light trapping of macroporous silicon by alkaline etching: application for the fabrication of black Si nanospike arrays, 2017, Mater. Chem. Front., 1, 1881–1887.
pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/qm/c7qm00191f

Les procédés de micro- et nanofabrication du silicium (Si) sont d'une importance cruciale pour la microélectronique, ainsi que pour des technologies émergentes en nanoélectronique, biocapteurs et stockage d’énergie. Ces applications rendent la fabrication de réseaux de Si nanostructurés un sujet très chaud qui attirent d’immenses efforts de recherche industrielle et académique. La fabrication de réseaux très organisés de nanostructures de Si est souvent basée sur l’utilisation de procédés fonctionnant en série, c’est-à-dire, où les structures sont fabriquées successivement. Ces techniques nécessitent des équipements coûteux fonctionnant sous vide poussé et impliquant des coûts de fonctionnement élevés, ce qui empêche leur utilisation dans la fabrication de routine à grande échelle. Dans ce contexte, les processus dits « parallèles », permettant la fabrication simultanée de nanostructures individuelles de manière localisée sur une grande surface, sont beaucoup plus attrayants pour diminuer le temps et le coût de fabrication. Le but de EASi-NANO est de contribuer au développement de procédés innovants et ambitieux pour la fabrication de routine et à faible coût de réseaux de Si nanostructurés et d'intégrer ces réseaux dans des dispositifs fonctionnels. Le projet consiste en la fabrication de deux types de réseaux différents, constitués respectivement de nanofils de Si (SiNWs) et de Si nanoporeux Si (NPSI). Les deux axes de recherche, seront réalisés en parallèle et combinent des étapes de photolithographie simples et des méthodes électrochimiques bottom-up et top-down.
Contrairement à la majorité des processus de nanostructuration électrochimiques et chimiques existants, les techniques de EASi-NANO permettront un contrôle spatial à l’échelle micro- et nanométrique, qui est essentiel pour fabriquer des réseaux très organisés. En outre, ces processus seront parfaitement adaptés pour une préparation de routine de grandes surfaces dans des conditions ambiantes et sans la nécessité d'une salle blanche. L'utilisation pratique des deux types de surface sera démontrée en les intégrant dans des dispositifs nanoélectroniques et de détection moléculaire. Dans ce cadre, les techniques développées seront adaptées à la fabrication de transistors à effet de champ (FETs). Cette méthode de fabrication permettra de contrôler parfaitement la disposition des SiNWs, leur nombre et leur espacement, ce qui est difficile à réaliser en utilisant les procédés de fabrication actuels employés pour fabriquer des SiNW-FETs. Dans un second temps, nous prévoyons de modifier les réseaux de SiNW en utilisant des techniques de chimie de surface bien établie, et de les utiliser pour la détection. Enfin, nous utiliserons les réseaux de NPSi pour concevoir des mémoires moléculaires à ultra-haute capacité. Dans ce cas, ils seront fonctionnalisés avec une monocouche de molécules électroactives en appliquant la chimie de surface du Si-H. La grande surface du NPSi prédit l’obtention d'une densité de charge considérablement plus élevée pour les micromémoires moléculaires fabriquées de cette manière, par rapport à celles précédemment rapportées, qui peut être très bénéfique pour la conception de dispositifs DRAM moléculaires.
EASi-NANO est un projet JCJC de 42 mois coordonné par un chercheur CNRS spécialisé en nanostructuration. Il coordonnera une équipe jeune (âge moyen: 38 ans) et dynamique, qui possède toutes les compétences complémentaires nécessaires pour accomplir avec succès EASi-NANO et qui ont déjà démontré le fort potentiel de ce projet avec des résultats préliminaires. En conclusion, EASi-NANO est un projet ambitieux impliquant des approches originales pour la réalisation d’objectifs clairs qui sont : i) le développement de procédés à faible coût pour la fabrication de réseaux de Si nanostructurés de haute qualité et ii) l’utilisation des surfaces fabriquées pour l'amélioration d’applications technologiques innovantes.