Caractérisation aux fréquences TéraHertz des électrons balistiques dans les nanotubes de carbone

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La compréhension de la physique des systèmes nanométriques pour l’électronique de demain va dépendre de notre capacité à mesurer les propriétés électriques des nanomatériaux aux fréquences de l’ordre du Térahertz (entre 100 GHz et 10 THz). Les transistors à nanotubes ont déjà été étudiés dans la gamme des micro-ondes (100 MHz - 50 GHz), mais pas jusque-là dans le domaine du THz. C’est une équipe de Cornell University (NY) dirigée par Dr McEuen qui vient pour la première fois de publier des mesures de caractérisation électrique aux fréquences Térahertz d’un transistor à nanotube de carbone. L’équipe a observé la résonance d’électrons balistiques qui correspond au transit aller retour de l’électron le long du nanotube dans une période de l’ordre de la picoseconde. Les mesures montrent que la vitesse de l’électron est constante et égale à la vitesse de Fermi, ce qui montre que la réponse du nanotube à haute fréquence est dominée par des excitations de particules isolées plutôt que par des modes plasmon collectifs.

Pour réaliser les mesures du temps de transit des électrons, l’équipe a intégré sur le même substrat silicium sur saphir une source THz et un transistor à nanotube de carbone placés côte à côte : ainsi les signaux haute fréquence générés localement par la source sont détectés localement par le nanotube. La source est une ligne de transmission micro-onde excitée par un laser femtoseconde. Chaque pulse du laser produit un pic de tension de période 1.5 picoseconde, ce qui crée le signal THz qui se propage le long de la ligne de transmission couplée au transistor. Ainsi en étudiant les caractéristiques courant-tension et courant-période de pulsation de ce dernier, l’équipe a montré que le transistor à nanotube peut être utilisé comme détecteur à très haute fréquence. L’équipe a mené ses mesures sur trois transistors PNP de différentes longueurs de grilles. Les électrons excités par le pulse traversent la première jonction PN, sont propagés le long du nanotube, sont réfléchis par la deuxième jonction PN et au retour rencontrent les électrons excités par le pulse suivant (1.5 picoseconde plus tard), ce qui provoque un pic d’intensité. La position de ces pics sur les courbes courant-période de pulsations obtenues pour chaque transistor permettent de déterminer le temps de transit des électrons et donc leur vitesse, très proche de la vitesse de Fermi dans des nanotubes de carbone métallique (V=0.8 millions de m/s).

Les propriétés de résonance THz mises en évidence par l’équipe de McEuen liées au gain intrinsèque des transistors à nanotubes de carbone en font un outil puissant pour mesurer les dynamiques THz dans des nano-structures individuelles, qui pourra permettre des mesures électriques sur les matériaux de demain tels que le graphène ou les nanofils semiconducteurs.

Source :

"Terahertz time-domain measurement of ballistic electron resonance in a single-walled carbon nanotube", Paul L.McEuen, Nature Nanotechnology Advance Online Publication, 23/03/2008 - http://www.nature.com/naturenanotechnology

Rédacteur :

Alban de Lassus, deputy-phys.mst@consulfrance-houston.org ; Roland Hérino, attach-phys.mst@consulfrance-houston.org

Voir en ligne : http://www.bulletins-electroniques….