Gold nanodot and nanowire fabrication by Atomic Force Microscopy

In this dissertation work a technique that utilizes an atomic force microscope (AFM) in a non-contact configuration for direct patterning of nanoscale sized gold dots and wires and its characterizations is presented. For the fabrication of gold nanodots an oscillating gold-coated AFM probe is kept in close proximity to a sample surface and the application of a voltage pulse of either polarity leads to the deposition of the dot. Highly reproducible deposition is obtained by the precise control of the tip-sample separation. For controlling this separation, a feedback control enabled by the application of an external electrostatic servo force is implemented. The deposition process is well regulated and it allows for the study of dot formation and the obtaining of relevant statistics. Typical oscillation amplitude is 3 nm and tip sample average separation distance is 6 nm. Generated electric fields at the tip apex are usually larger than 1 V/nm. The parameters that control the dot dimensions are the amplitude and duration of the pulse, and the tip-sample separation. We found that the deposition process is Field Evaporation Deposition (FED) of gold ions. There is a field threshold that is distinctive of the involved ion species. Typical deposition evaporation rates are of the order of 10^7 atoms/s and they are obtained for applied fields above the threshold for deposition. For patterning gold nanowires two methods were developed. A fast method where sequential dots are deposited with a pitch that is smaller than their diameter so that neighboring dots overlap, and a slow method in which the dots are deposited sequentially with a pitch that match their diameter and then theCette recherche doctorale porte sur le dévelopment d'une technique utilisant un Microscope Force Atomique (en anglais 'Atomic Force Microscope', AFM) dans une configuration dynamique pour la gravure direct de points et câbles d'or à l'échelle nanoscopique. Pour la fabrication de ces nanopoints, une sonde oscillatoire d'AFM métallisée d'or est maintenue à proximité d'une surface échantillon, et l'application de pulsations électriques de polarité positive ou négative conduit au dépôt du nanopoint. Un dépôt hautement prévisible est obtenu par le contrôle précis de la distance sonde-surface. Le contrôle de cette séparation est possible grâce à un mécanisme régulatoire ré-entrant activé par l'application d'une servoforce électrostatique externe. L'amplitude typique des oscillations est de 3 nm et la distance sonde-surface moyenne est de 6 nm. Les champs potentiel électriques générés à l'extrémité de la pointe dépassent habituellent 1 V/nm. Les paramètres contrôlant la dimension des nanopoints sont determins par l'amplitude et la durée de la pulsation ainsi que la distance sonde-surface. Le procédé de dépôt est bien contrôlé, ce qui permet l'étude de la formation du nanopoint et l'obtention de statistiques appropriées. Les résultats démontrent que le procédé de dépôt correspond à un Dépôt pour l'Evaporation de Champs (en anglais 'Field Evaporation Deposition', FED) d'ions d'or. Ce champs a un seuil distinct de celui des espèces ioniques impliquées. Les taux d'évaporation typiques du dépôt sont de l'ordre de 10^7 atomes/s et ils sont obtenus par l'application de champs dépassant le seuil de dépôt. Deux méthodes