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Laboratoire de Physique de la Matière Condensée

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Piézorésistance géante des surfaces et interfaces

Personnes impliquées

Alistair Rowe

Collaborations extérieures

S. Arscott (IEMN Lille, France)
C. Renner (Université de Genève, Suisse)

La piézorésistance est défini comme un changement de résistance électrique avec une contrainte mécanique appliquée. Dans le cas des métaux, la piézorésistance est lié à un changement des dimensions physiques du conducteur. Dans les semi-conducteurs, particulièrement les semi-conducteurs de bande interdite indirecte comme le silicium, une contrainte mécanique appliquée induit un changement de la structure de bande du matériau. Dans ce cas-ci la piézorésistance est due principalement à un changement de la mobilité des porteurs de charge. Cet effet, mesuré pour la première fois aux Bell Labs dans les années 50, est beaucoup plus grand que celui qu'on observe dans les métaux.

Des formes plus exotiques de (quantum) piézorésistance existent, en particulier dans des hétérostructures semi-conductrices à basses températures. Ces effets aussi peuvent être très grands et peuvent même dépasser le piézorésistance des semiconducteurs tels que le silicium. Nous étudions d'autres formes nouvelles de piézorésistance.

      [Image: Silicon based metal semiconductor hybrid]
Structures hybrides de type métal/semi-conducteur fabriquées à l'IEMN par Steve Arscott. Ici le métal (bleu-clair) est de l'aluminium, et le semi-conducteur (bleu-foncé) est du silicium type-p. La barre d’échelle blanche dans chaque image est de 20 microns de long.

 Pour en savoir plus, vous pouvez regarder dans les nouvelles de l'institut américain de la physique (Physics News Update) ou dans la revue Physics Today, ou encore dans la revue La Recherche.


  [Image: Carrier densities in silicon nanowires]
L'effet piézo-pinch: la densité en porteur libre tracé sur une échelle logarithmique pour un nanofil de silicium à trois contraintes mécaniques appliquées différentes. Les couleurs (froides) chaudes correspondent à une densité (basse) élevée. Le canal de conduction (en rouge) est pincé lors de l’application d’une contrainte en traction (positive).
[Image: Top-down silicon microwire]
Microfil de silicium suspendu fabriqué par des méthodes top-down dont la piézorésistance correspond à celles du silicium massif.

Pour en savoir plus, regardez dans l'interview dans PhysicsWorld, Questions raised about giant piezoresistance, dans le Physics Synopsis de la société américaine de la physique, dans ce Nature Materials research highlight ou bien un interview, en français, dans le journal du CNRS.

Un exemple est la piézorésistance dites « extraordinaire » mesurée dans les structures hybrides métal/semi-conducteur (voir la figure à droite). En choisissant soigneusement la forme de la structure hybride, il est possible, grâce à la piézorésistance du silicium massif, de commuter une partie du courant entre la partie métallique et la partie semiconductrice. Puisqu'il y a une grande différence dans la conductivité électrique du métal et du semi-conducteur, ceci peut mener à des grands effets piézorésistifs, presque un ordre de grandeur plus grand que ceux mesurés dans le silicium massif.

"Giant room-temperature piezoresistance in a metal-silicon hybrid structure", A.C.H. Rowe, A. Donoso-Barrera, Ch. Renner and S. Arscott, Phys. Rev. Lett. 100, 145501 (2008)

Un deuxième exemple est l'effet piézo-pinch observé par He et Yang dans les nanofils bottom-up, suspendus de silicium. L'effet piézopinch est lié à un changement de la largeur de la zone de charge d’espace surfacique due à une contrainte mécanique appliquée. Pour mieux comprendre cet effet nous avons fabriqué des nanofils top-down en silicium pour ensuite mesurer leurs piézorésistance. En utilisant une technique expérimental qui sépare bien des effets de chargement de ceux dûs à la contrainte appliquée, nous concluons de façon surprenant que la piézorésistance des nanofils de silicium est en fait du même ordre de celle du silicium massif. Le débat tourne maintenant sur la différence, s’il à lieu, entre les surfaces des nanofils top-down et bottom-up.

"Silicon nanowires feel the pinch", A.C.H. Rowe, Nature Nanotechnology 3, 311 (2008)

"Giant Piezoresistance Effects in Silicon Nanowires and Microwires", J.S. Milne, A.C.H. Rowe, S. Arscott and Ch. Renner, Phys. Rev. Lett. 105, 226802 (2010)