In this work we describe ultra-high vacuum fabrication of a nanoscale system that reveals Coulomb blockade at room temperature and its characterization by single-electron sensitive electrostatic force microscopy (e-EFM). The system consists of Au nanoparticles separated from an Fe(001) back electrode by a crystalline ultra-thin NaCl film. Due to the small size of the nanoparticles (3.5 nm high), the Coulomb blockade can be observed at room temperature. An atomic force microscopy (AFM) cantilever is used as a movable gate to charge individual nanoparticles via single-electron tunneling from the back electrode. At the same time the tunneling is detected by measuring frequency shift and damping of the oscillating cantilever. The e-EFM technique can overcome limitations of other characterization methods based on lithographic fabrication. So far, however, it has been successfully used only at low-temperatures. In this work, we extend the e-EFM technique to room temperature by carefully tuning the sample design and fabrication relative to the cantilever response to achieve maximum sensitivity. To grow atomically defined tunnel barriers we investigate the morphology of MgO and NaCl ultra-thin films on Fe(001) surfaces by non-contact-AFM and low energy electron diffraction (LEED). First, we demonstrate that the quality of MgO films, typically grown in ultra-high vacuum (UHV) by electron-beam evaporation, can be improved by using reactive deposition method that gives full control over the gaseous species existing in the evaporated beam. Second, we investigate the effects of temperature and oxygen presence on the growth of NaCl on Fe(001). As a result, we develop a protocol to grow NaCl films on the Fe(001)-p(1x1)O surface in a layer-by-layer mode, yielding atomically flat films with 40-60 nm wide terraces (on a 12 ML thick film) and with far fewer defects than the MgO films. Using the NaCl film as a tunnel barrier that can be easily adjusted by modifying the film thickness we characterize single-electron charging at room temperature of individual Au nanoparticles formed after thermal evaporation onto a 6 monolayer thick NaCl film. We demonstrate how a combination of e-EFM and finite element electrostatic simulation can be used for revealing electronic and morphological properties of individual Au nanoparticles. As a result, the electron addition energy, the capacitance, tunneling rates and an approximated shape of an individual nanoparticle have been determined. Numerical simulations point towards a total capacitance dominated by the mutual capacitance between the nanoparticle and the back electrode. A comparison with the experimental value, determined from measurement of the addition energy, indicates that the nanoparticles should be modeled as truncated spheres in order to reduce the mutual capacitance to the substrate. This observation has a fundamental impact on the design of nanoelectronic circuits, where the components have to meet desired requirements for capacitances that determine coupling and charging effects. The fabrication flexibility and the fact that all measurements were performed in-situ on samples prepared under ultra-clean conditions make the presented system attractive for further studies. In particular, this approach can be used to study quantum mechanically coupled quantum dots and the catalytic activity of Au nanoclusters at room temperature. / Dans ce travail, nous décrivons la fabrication sous ultra haut vide (UHV) d'un système à l'échelle nanométrique qui révèle le blocage de Coulomb à température de la pièce, ainsi que sa caractérisation par microscopie à force électrostatique sensible à un électron (single-electron sensitive electrostatic force microscopy, e-EFM). Le système est constitué de nanoparticules d'or séparées d'une électrode de Fe(001) par un film cristallin ultra mince de NaCl. Dû à la petite taille des nanoparticules (3.5 nm maximum), le blocage de Coulomb est observable à température ambiante. Un cantilever de microscope à force atomique (MFA) est utilisé comme une grille électrique déplaçable pour charger individuellement les nanoparticules par le passage de charge élémentaire par effet tunnel à partir de l'électrode. Ce passage d'électron est détecté en mesurant simultanément le changement de fréquence de résonance, ainsi que l'amortissement de l'oscillation du cantilever. La technique e-EFM permet de contourner certaines limitations inhérentes aux techniques de caractérisation basées sur la fabrication par lithographie. Toutefois, cette technique a été appliquée avec succès seulement à basses températures. Dans ce travail, nous étendons la technique e-EFM à température ambiante par un ajustement minutieux du design de l'échantillon et de sa fabrication en fonction de la réponse du cantilever de sorte à maximiser la sensibilité de la mesure. Pour croître une jonction tunnel définie à l'échelle atomique, nous étudions la morphologie de couches minces de MgO et de NaCl sur une surface de Fe(001) par microscopie à force atomique non-contact et par diffraction d'électrons lents (Low Energy Electrons Diffraction, LEED). Premièrement, nous démontrons que la qualité des couches minces de MgO, typiquement crûes sous UHV par évaporation sous faisceau d'électrons (electron-beam evaporation), peut être améliorée par l'utilisation d'une méthode de déposition réactive qui donne un contrôle total sur les espèces gazeuses présentes dans le faisceau d'évaporation. Deuxièmement, nous étudions l'effet de la température et de la présence d'oxygène sur la croissance du NaCl sur une surface de Fe(001). Conséquemment, un protocole pour la croissance de films de NaCl sur une surface de Fe(001)-p(1x1)O déposés couche par couche. Ces films plats à l'échelle atomique présentent des terrasses de 40-60 nm de large et contiennent beaucoup moins de défauts cristallins que les films de MgO.En utilisant ces couches minces de NaCl comme jonction tunnel facilement ajustables par une modification de leur épaisseur, nous caractérisons le chargement d'électron à température ambiante de nanoparticules individuelles formées par évaporation thermique sur un film de 6 monocouches de NaCl. Nous montrons comment la combinaison de la technique e-EFM et de simulations électrostatiques par éléments finis peut être utilisée pour révéler les propriétés électroniques et morphologiques de nanoparticules d'or individuelles. Ainsi, l'énergie de chargement, la capacitance, la fréquence de passage par effet tunnel et la forme approximative des nanoparticules ont été déterminées. Des simulations numériques montrent que la capacitance totale est dominée par la capacitance mutuelle entre la nanoparticule et l'électrode. En comparant avec les valeurs expérimentales, déterminées par une mesure de l'énergie de chargement, on montre que les nanoparticules devraient être modélisées par des sphères tronquées pour réduire la capacitance mutuelle avec le substrat. Cette observation a un impact fondamental pour le design de circuits nanoélectroniques dans lesquels les composantes doivent avoir des capacitances définies, étant donné que celles-ci déterminent les effets de couplage et de chargement.La flexibilité de la technique de fabrication et le fait que toutes les mesures ont été effectuées in situ sur des échantillons dans des conditions ultra propres rendent le système attrayant pour de futures études.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.119570 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Tekiel, Antoni |
| Contributors | Peter H Grutter (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Physics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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