Conduction électrique et spectroscopie de bruit du sodium

Aug 01, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 9861 (2022) Citer cet article

713 accès

7 Citations

Détails des métriques

L'électronique verte est un sujet émergent qui nécessite l'exploration de nouvelles méthodologies pour l'intégration de composants verts dans les appareils électroniques. Par conséquent, le développement de matières premières alternatives et respectueuses de l'environnement, biocompatibles et biodégradables, revêt une grande importance. Parmi ceux-ci, l'alginate de sodium est un biopolymère naturel extrait d'algues marines ayant un grand potentiel en termes de transparence, de flexibilité et de conductivité, lorsqu'il est fonctionnalisé avec une fine couche d'or (Au). Le transport électrique de ces substrats souples et conducteurs a été étudié, par des mesures en courant continu, de 300 à 10 K, pour comprendre l'interaction entre le substrat organique et la couche métallique. Les résultats ont été comparés à des bicouches de référence à base de polyméthacrylate de méthyle, un polymère bien connu utilisé en électronique. En outre, une étude détaillée des propriétés du bruit électrique a également été réalisée. Cette analyse permet d'étudier l'effet des fluctuations des porteurs de charge, fournissant des informations importantes pour quantifier l'épaisseur métallique minimale requise pour les applications électroniques. En particulier, le comportement sonore typique des composés métalliques a été observé dans des échantillons recouverts de 5 nm d'Au, tandis que des niveaux de bruit liés à une conduction non métallique ont été trouvés pour une épaisseur de 4,5 nm, malgré la relativement bonne conductance DC de la bicouche.

Le développement d'appareils électroniques flexibles a reçu beaucoup d'attention au cours de la dernière décennie, car on s'attend à ce qu'ils aient un impact important sur les équipements électriques et électroniques (EEE), qui sont devenus une partie essentielle de notre vie quotidienne. Après leur utilisation, les EEE sont éliminés, générant d'importants déchets électroniques de matériaux dangereux mais précieux. En 2019, le monde a généré 53,6 millions de tonnes métriques (Mt) de déchets électroniques, et seulement 17,4 % de ces déchets électroniques ont été collectés et recyclés1. Les technologies de recyclage actuelles sont principalement basées sur les technologies de fonderie et chimiques. L'exploitation d'une fonderie est très énergivore, alors que les acides minéraux couramment utilisés dans les techniques de recyclage chimique présentent de sérieux risques environnementaux pour les travailleurs ainsi que pour la qualité de l'air et des flux d'eau2,3.

L'utilisation de matériaux biodégradables et facilement recyclables dans le cadre de l'électronique verte pourrait réduire considérablement l'impact environnemental des déchets électroniques. En fait, ces matériaux offrent la possibilité d'une voie de recyclage plus durable sur le plan environnemental2,4, ainsi qu'une gestion sûre des dispositifs jetables à usage unique tels que les capteurs. Selon la norme européenne EN13432, un matériau biodégradable est celui qui peut être transformé à au moins 90 % en composants inoffensifs, tels que l'eau, le dioxyde de carbone et la biomasse, par l'action de champignons ou de micro-organismes dans les 6 mois. Actuellement, l'utilisation de matériaux biodégradables représente une opportunité dans plusieurs domaines, où ils peuvent être utilisés comme substrats, couches inter ou actives et électrodes. À ce jour, les matériaux biodégradables les plus étudiés et les plus prometteurs sont les dérivés de cellulose5,6, la chitine/chitosane7,8,9 et la fibroïne de soie10,11,12.

Récemment, nous avons commencé à utiliser l'alginate de sodium (SA), un polymère biodégradable naturel dérivé d'algues brunes13. SA est soluble dans l'eau et facile à manipuler, de sorte que des feuilles plates et transparentes peuvent facilement être fabriquées avec un procédé respectueux de l'environnement14. Dans le but d'utiliser SA pour la fabrication de substrats innovants pour produire des dispositifs verts pour la lumière et l'énergie (c'est-à-dire des photodiodes organiques (OPD), des diodes électroluminescentes organiques (OLED), des cellules solaires polymères (PSC), etc.), nous avons déposé une fine couche Au sur un film SA obtenant une bicouche conductrice, dont les propriétés électriques doivent être étudiées afin d'adapter les substrats à l'application finale. Cette plate-forme a été intégrée avec succès dans des OLED fonctionnels4, démontrant qu'elle peut remplacer la plate-forme conventionnelle en bicouches verre/ITO. Des couches métalliques très fines sont cependant obligatoires pour préserver la transparence du substrat dans les applications optoélectroniques. Par conséquent, dans la fabrication d'un EEE jetable, la quantité de la partie métallique dans la bicouche doit être minimale, tout en maintenant un transport de courant approprié avec une conductance électrique élevée. Au représente un bon choix pour ses bonnes propriétés de croissance et de connectivité mais aussi pour sa résistance à la dégradation chimique, offrant une bonne conductance même à très faible épaisseur.

Des nanocouches d'or allant de 4,5 à 24 nm pulvérisées sur SA ont déjà été étudiées par les auteurs, mettant en évidence un changement brusque (de plusieurs ordres de grandeur) de la résistance en fonction de l'épaisseur d'Au, à environ 4-5 nm15,16. Cette valeur est proche de l'épaisseur de percolation électrique pour Au sur verre dans le cas du mode de croissance Volmer-Weber (VWGM)17. La dépendance à la température de la résistance s'est avérée différente pour les nanocouches d'or d'épaisseur supérieure et inférieure à 5 nm16, et la transition entre les deux régimes différents a été expliquée en termes de perte des voies de percolation au-dessus de l'épaisseur critique, avec un changement correspondant dans le mécanisme de conductance d'un métal classique à un effet tunnel induit par la fluctuation à travers des amas d'or intégrés dans le film d'alginate de sodium. Ces résultats ont été approfondis dans cet article par spectroscopie de bruit, en utilisant des substrats conventionnels comme référence et en étudiant le mécanisme de conduction au seuil de conduction métallique/non métallique, qui se produit pour une épaisseur d'or de 4,5 nm. Il est bien connu que le processus de croissance du film d'Au procède, dans ses premières étapes, à la formation de nanoparticules partiellement connectées18. Les interconnexions entre les domaines nanométriques s'accumulent au fur et à mesure que l'épaisseur d'Au augmente, jusqu'à ce qu'une couverture complète de la surface soit obtenue15. En effet, l'utilisation d'un substrat organique au lieu d'un substrat inorganique rigide (comme le verre ou le mica utilisé dans la Réf.19), peut entraîner un mécanisme de croissance différent. De plus, il est évident que l'interface de la couche d'or nanostructurée peut être fortement affectée par la présence du polymère organique. Le rôle d'une telle interface sur le mécanisme de transport d'électrons et dans la formation du réseau de percolation électrique n'est pas connu, et cela peut conduire à des substrats à conductance relativement élevée mais caractérisés par des chemins de conduction instables qui peuvent introduire un bruit électrique important dans les dispositifs réels. La présence de chemins de courant fluctuants peut être facilement mise en évidence en effectuant une analyse par spectroscopie de bruit, qui permet de déterminer l'épaisseur de la couche Au qui garantit à la fois une bonne conductance électrique et un faible niveau de bruit dans ces substrats conducteurs innovants.

Dans ce travail, nous avons analysé en détail le transport électrique dans des substrats SA/Au avec des épaisseurs d'Au de quelques nanomètres. Il est très important de souligner que, lors de l'étude de films ultra-minces, une conductance élevée ne peut pas être considérée comme une propriété suffisante. En effet, le processus de croissance de film Au sur des substrats polymères, tels que SA, procède dans ses premières étapes à la formation de nanoparticules partiellement connectées. Les interconnexions entre les domaines nanométriques se forment pour augmenter l'épaisseur d'Au, jusqu'à obtenir une couverture complète de la surface15. Cette morphologie de réseau peut conduire à des substrats avec une conductance relativement élevée mais caractérisés par des chemins de conduction instables qui peuvent introduire un bruit électrique important dans les dispositifs réels. La présence de chemins de courant fluctuants peut être facilement mise en évidence en effectuant une analyse par spectroscopie de bruit, qui permet de déterminer l'épaisseur de la couche d'Au qui garantit à la fois une bonne conductance électrique et un faible niveau de bruit.

Comme déjà mentionné, les biopolymères disponibles dans le commerce, même s'ils sont largement utilisés et étudiés dans divers domaines allant de l'emballage à la médecine, sont peu explorés en électronique et en particulier en tant que substrats verts innovants. À cet égard, une comparaison du SA avec un matériau traditionnel tel que le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), dont les propriétés et les applications dans les appareils électroniques sont bien connues, peut fournir des informations intéressantes.

La figure 1 montre la dépendance à la température de la résistance mesurée R(T) pour les films SA et PMMA recouverts d'une couche d'Au de 4,5 nm d'épaisseur, représentant le seuil précédemment étudié entre un comportement non métallique (ci-dessous) et un comportement métallique (ci-dessus)16. Tant pour un film SA autoportant (Fig. 1a) que pour des films SA ou PMMA enduits par centrifugation sur verre (Fig. 1b, c), des courbes R(T) similaires sont observées dans toute la plage de 300 à 10 K. Plus en détail, une augmentation de la résistance en abaissant la température est toujours trouvée en dessous de 100 K, tandis qu'un pic évident, plus prononcé pour les films SA, se produit dans une région autour de 200 K. À 300 K, une estimation approximative de la résistance de la couche d'or , réalisée sur les échantillons sans motifs déposés sur verre, donne des valeurs de ~ 37 Ω/sq pour le PMMA et de ~ 19 Ω/sq pour le SA, qui sont en bon accord avec celles des nanostructures d'or pulvérisées sur verre20 et sur d'autres polymères transparents21.

Courbes de résistance en fonction de la température de films non métalliques. Les données se réfèrent à trois échantillons étudiés différents recouverts d'une couche d'Au de 4,5 nm d'épaisseur : (a) film autoportant SA (diamants bleus), (b) PMMA déposé sur verre (carrés noirs), (c) SA déposé sur verre (cercles rouges).

Ces résultats confirment le cadre général des mécanismes de transport déjà rapportés dans la littérature, décrits en termes de processus d'effet tunnel induit par fluctuation à basse température22 et d'expansion de région conductrice de 300 à 200 K16. Cependant, est-ce que les quelques différences trouvées dans les courbes R(T) sont liées au rôle joué par la présence d'eau, dont l'effet pourrait être différent selon la matrice polymérique considérée (PMMA ou SA), est la question intéressante à démêler. Par conséquent, afin d'extraire plus d'informations sur les mécanismes de conduction dans les conditions de travail, une enquête plus sensible a été réalisée en étudiant les fluctuations des porteurs de charge, en utilisant la technique bien connue de spectroscopie de bruit électrique.

Dans ce type de caractérisations de bruit, l'information principale est essentiellement donnée par la fonction tension-densité spectrale SV et, plus en détail, par l'analyse de sa dépendance en fréquence d'amplitude. Pour les échantillons étudiés ici, la meilleure procédure d'ajustement des traces spectrales peut être obtenue en utilisant une expression générique sous la forme de

Ici, γ est l'exposant de la fréquence du bruit, S0 est un terme indépendant de la fréquence, tandis que K est le coefficient d'amplitude du bruit dont l'étude en fonction de paramètres externes, tels que la température et le courant de polarisation, permet d'établir des corrélations et des relations avec les propriétés physiques du système impliqué23,24. Les courbes vertes de la Fig. 2 montrent un bon accord entre l'Eq. (1) et les spectres de bruit expérimentaux, à la fois pour les films revêtus de PMMA (panneau de gauche) et SA (panneau de droite) Au dans toute la plage de température. À la suite de l'analyse des données, en faisant varier la température de 300 à 10 K, l'exposant γ se situe dans l'intervalle entre 1,2 et 1,4 sur les deux substrats étudiés. Ceci suggère un petit nombre N de fluctuateurs actifs comme responsables des mécanismes de bruit23,25,26. En fait, un grand nombre de fluctuateurs lorentziens (N → ∞) généreraient une composante de bruit 1/f pure avec des valeurs de γ allant de 0,8 à 1,223,27,28. Le terme constant S0 est la composante "bruit blanc" qui consiste essentiellement en le bruit thermique de Johnson (4kBTR) ajouté à une contribution de fond. En raison des faibles valeurs de résistance mesurées à la fois pour le PMMA et pour les films SA, S0 correspond à la densité spectrale de tension de la chaîne électronique du montage expérimental, soit ~ 1 × 10−18 V2/Hz. De plus, le coefficient d'amplitude de bruit K peut être étudié en fonction du courant de polarisation appliqué I, révélant toujours un comportement quadratique dans toute la plage de températures testée, comme le montre la Fig. 3. Il s'agit du comportement standard attendu lorsque les processus de bruit sont générés par des fluctuations de résistivité dans un réseau de résistance aléatoire28,29.

À partir de la dépendance quadratique en courant de K, il est simple d'évaluer le niveau de bruit (NL) des systèmes ohmiques as23

étant V la tension continue mesurée. Comme le montre la figure 4, un pic NL clair se produit dans la région de température où une remontée de la résistance est observée. Cela se produit autour de 128 K pour le PMMA (carré vert) et autour de 112 K pour le SA (cercle jaune). La présence d'un pic dans l'amplitude du niveau de bruit est généralement associée à une modification des mécanismes de transport électrique30,31,32,33.

Spectres tension-bruit. La dépendance en fréquence de SV, à des valeurs de courant de polarisation fixes, est montrée pour les films de PMMA (a) et de SA (b) déposés sur du verre et recouverts d'une couche d'Au de 4,5 nm d'épaisseur. Les lignes pleines vertes sont les meilleures courbes d'ajustement obtenues en utilisant l'équation. (1).

Dépendance actuelle de la composante de bruit 1/f. L'amplitude K du bruit 1/f est représentée en fonction du courant de polarisation appliqué pour les films non métalliques PMMA (a), (b) et SA (c), (d). Un comportement quadratique typique est toujours observé à la fois en dessous (panneaux supérieurs) et au-dessus (panneaux inférieurs) des températures auxquelles un minimum de résistance se produit pour les deux différents systèmes étudiés.

Comparaison entre les propriétés DC et AC d'échantillons non métalliques. Les dépendances à la température de la résistance normalisée R/R300K (a) et du niveau de bruit NL (b), évaluées à partir de l'Eq. (2), sont présentés pour les films PMMA (carrés) et SA (cercles). Les pics NL, correspondant aux différents minima de résistance observés, sont matérialisés par des flèches vertes et jaunes pour le PMMA et le SA, respectivement.

La transition vers un transport non métallique typique est confirmée par l'augmentation de la résistance normalisée R/R300K en dessous de 100 K pour une épaisseur de film Au ≤ 4,5 nm. Une comparaison entre le comportement sur PMMA et SA montre des différences mineures indiquant un rôle mineur de la composition du substrat sur la croissance Au. Le film ultrafin peut être considéré comme un réseau de régions métalliques discontinues au lieu d'une couche continue15, dont la morphologie ne dépend pas du PMMA ou du SA et se traduit par les particularités non métalliques observées. D'un point de vue technologique, les résultats de la spectroscopie des fluctuations donnent l'indication de faibles valeurs de NL dans la région à basse température, comme prévu en raison de la faible mobilité des porteurs de charge. De plus, des valeurs NL faibles similaires sont observées même à des températures élevées, dans la plage d'utilisation typique de l'appareil. Cette dernière caractéristique, très intéressante pour le développement d'applications à température ambiante, est clairement mise en évidence dans les graphiques tridimensionnels de la Fig. 5 du paramètre d'amplitude K, à la fois pour le PMMA (panneau de gauche) et SA (panneau de droite). Notez que, bien que le comportement général des films revêtus par centrifugation PMMA et SA soit similaire, l'effet des processus de fluctuation sur le bruit électrique à température ambiante est plus faible sur SA que sur PMMA, grâce au pic de NL décalé vers une valeur de température inférieure dans SA (voir les figures 4 et 5, pour plus de détails). Il en résulte un autre avantage du SA par rapport au PMMA, en plus de la flexibilité et de l'origine non fossile.

Propriétés de bruit des échantillons non métalliques. L'amplitude K de la composante de bruit 1/f est représentée en fonction de la température et du courant de polarisation, dans un tracé tridimensionnel, pour des films de PMMA (a) et de SA (b) déposés sur du verre et recouverts d'une couche d'Au de 4,5 nm d'épaisseur.

La mise en évidence d'un pic NL, observé en présence d'une conduction non métallique, disparaît complètement lorsque les mécanismes de transport électrique changent. En particulier, en augmentant l'épaisseur de l'Au pulvérisé au-dessus de 4, 5 nm, un comportement plus métallique est récupéré comme le montre la figure 6 pour un film SA autonome recouvert d'une couche d'Au de 5 nm d'épaisseur. Après un premier cycle thermique (carrés noirs, acquis en mode refroidissement) la matrice polymérique se tasse (cercles rouges, acquis en mode réchauffement), se stabilise au cours du deuxième cycle thermique (étoiles bleues, acquises en mode refroidissement) et pour tous les tests cycliques thermiques ultérieurs effectués (triangles verts, acquis en mode refroidissement). Il est évident qu'aucun effet hystérétique ne se produit, comme observé dans l'ensemble des composés étudiés. Il est important de souligner qu'en utilisant des plots Au (60 nm d'épaisseur, déposés sur la surface de l'échantillon) pour les connexions électriques, les mesures sont généralement caractérisées par une forte stabilité et répétabilité. Les signes d'instabilité et de non-répétabilité sont plutôt visibles en l'absence de pastilles Au, comme le montre la Fig. S1 supplémentaire où les données expérimentales prises sur des films SA pulvérisés Au avec (diamants rouges) et sans (cercle noir) pastilles Au sont comparées.

Courbes de résistance en fonction de la température de films métalliques. La dépendance à la température de la résistance R est montrée pour des films autonomes SA recouverts d'une couche Au de 5 nm d'épaisseur. Les résultats, obtenus sur des échantillons en contact électrique avec des plots Au, sont rapportés pour les cycles thermiques suivants.

Par conséquent, il est clair qu'une géométrie bien définie des plots de contact permet une évaluation précise du bruit intrinsèque, comme en témoigne la Fig. 7 pour un film autoportant SA métallisé typique (épaisseur Au de 5 nm). Plus en détail, l'amplitude du bruit 1/f montre une diminution en abaissant la température (voir le tracé bidimensionnel de la Fig. 7a). La réduction de K est généralement attendue dans le cas des métaux, ainsi qu'une dépendance de courant quadratique de la composante de bruit 1/f23,27, comme le montre le tracé tridimensionnel de la Fig. 7b, qui peut être attribuée à des fluctuations de résistance aléatoires.

Propriétés de bruit des échantillons métalliques. L'amplitude K de la composante de bruit 1/f des films autonomes SA recouverts d'une couche Au de 5 nm d'épaisseur est représentée : (a) en fonction de la température dans un tracé bidimensionnel pour différentes valeurs de courant de polarisation ; (b) en fonction de la température et du courant de polarisation dans un tracé tridimensionnel.

D'après la littérature, il est connu que ce type de processus de fluctuation, pour les composés métalliques ou de mauvais métaux, se caractérise par une réduction du niveau de bruit pour une température décroissante34,35. Ce comportement est illustré sur la figure 8 pour tous les échantillons de PMMA et SA recouverts d'une couche d'Au de 5 nm d'épaisseur, à la fois pour les films autoportants et revêtus par centrifugation, dont la conduction métallique typique est vérifiée sur la figure 8a en termes de résistance normalisée R/R300K. En particulier, la figure 8b met clairement en évidence une diminution monotone de NL passant de 300 à 10 K. Une explication possible de la dépendance observée de la température du bruit peut être trouvée dans un modèle théorique qui attribue l'origine des fluctuations de résistance à la vacance et à la diffusion interstitielle27,36, comme déjà rapporté pour les systèmes granulaires et polycristallins37,38. Cette découverte donne une indication qu'au-delà d'une certaine épaisseur de couche Au, ici identifiée en 4,5 nm, les régions conductrices formant les films ultra-minces sont plus uniformément réparties et interconnectées, malgré la présence éventuelle de défauts structuraux aux points de leur distance la plus proche.

Comparaison entre les propriétés DC et AC d'échantillons métalliques. Les dépendances à la température de la résistance normalisée R/R300K (a) et du niveau de bruit NL (b) sont indiquées pour les films PMMA sur verre (carrés), SA sur verre (cercles) et SA autoportants (triangles). Les caractéristiques typiques des composés métalliques sont observées, notamment en ce qui concerne le très faible bruit mesuré dans toute la gamme de température étudiée.

Du point de vue des applications, également dans le cas des films métalliques comme déjà discuté pour les échantillons non métalliques, il est important de souligner que le niveau de bruit intrinsèque est très faible et dépend faiblement du type de substrat utilisé pour la fabrication du dispositif. En fait, les feuilles autoportantes semblent généralement avoir une valeur NL inférieure à celle des composés sur verre, ce qui est très prometteur pour le développement d'une "électronique verte" flexible.

La réalisation de l'électronique verte ne peut que commencer par l'utilisation de biopolymères, obtenus à partir de ressources renouvelables, comme substrats innovants. À cette fin, des substrats en alginate de sodium, un biopolymère naturel extrait d'algues marines, recouvert d'une couche d'or ultrafine ont été étudiés du point de vue de la conduction électrique. En particulier, une étude comparative avec le polyméthacrylate de méthyle a été réalisée sur des films spin-coated sur verre. L'épaisseur de la couche d'or a été maintenue à une valeur minimale afin de réduire la quantité de matériau coûteux et non biodégradable utilisé tout en préservant de bonnes propriétés de conduction électrique, bien qu'une récupération possible des métaux ait été récemment démontrée pour les dispositifs à base de SA. Une gamme entre 4,5 et 5 nm a été identifiée comme la région où la transition non métallique et métallique se produit pour les deux polymères. De plus, des mesures ont été effectuées sur des films autoportants d'alginate de sodium, soulignant son fort potentiel pour des applications dans l'électronique verte flexible.

Des mesures de résistivité en courant continu, effectuées en cyclant la température de 300 à 10 K, montrent que les échantillons atteignent une stabilité dans la conduction électrique après un cycle thermique. De plus, des informations importantes ont été obtenues en mesurant l'amplitude du niveau de bruit, qui est très faible et comparable aux matériaux métalliques actuellement utilisés en électronique courante pour les échantillons avec une couche d'or de 5 nm d'épaisseur. Pour une épaisseur égale à 4,5 nm, l'amplitude du niveau de bruit est supérieure de deux ordres de grandeur, indiquant un mécanisme de conduction complètement différent, dominé par un réseau aléatoire d'îlots d'or interconnectés. Ceci est important pour définir l'épaisseur minimale de couche métallique à utiliser pour la préparation d'électrodes transparentes flexibles adaptées à une nouvelle génération de dispositifs électroniques verts.

La solution de SA (concentré à 2 %) pour le spin-coating a été préparée en solubilisant la quantité appropriée de SA (Farmalabor Srl, Canosa di Puglia (BT), Italie) dans de l'eau ultrapure sous agitation à température ambiante pendant plusieurs heures. La solution a été laissée au repos au moins une nuit pour permettre aux bulles de s'échapper.

Des feuilles SA ont été obtenues en coulant une solution aqueuse à 4 % de produit de qualité pharmaceutique (Farmalabor Srl, Canosa di Puglia (BT), Italie), dans des boîtes de Pétri en polystyrène15. L'évaporation de l'excès d'eau est réalisée en salle blanche, dans des conditions environnementales contrôlées (humidité ~ 40%, et température ~ 23 °C). Sur des échantillons autoportants, Au est pulvérisé dans la partie centrale d'une bande SA rectangulaire (2,5 × 1,5 cm2), à travers un masque métallique, à l'aide d'un système RF MRC 8622. Afin d'avoir un contrôle fin de l'épaisseur d'Au, les procédés de dépôt ont été réalisés à 20 W. Un deuxième dépôt d'Au (60 nm d'épaisseur), est exécuté pour la fabrication de quatre plots, qui garantissent un contact ohmique bon et stable pendant les longues mesures électriques.

Sur des substrats en verre (6 mm de côté), des films SA et PMMA ont été déposés par spin-coating à l'air. En détail, la solution de SA (4 % p/p) a été enduite par centrifugation à 2 000 tr/min pendant 60 s (épaisseur d'environ 400 nm) puis recuite à l'air à 80 °C pendant 5 min, tandis que le PMMA a été enduit par centrifugation à 5 000 tr/min pendant 60 s (épaisseur d'environ 350 nm) puis recuit à l'air à 110 °C pendant 3 h. L'épaisseur des films enduits par centrifugation a été mesurée par un profilomètre (KLATencor, P-6). Pour ces échantillons, le film mince d'Au est pulvérisé en couverture au-dessus de SA, en appliquant les mêmes conditions de dépôt que celles utilisées pour la pose libre.

La microscopie à force atomique (AFM) a été réalisée à l'aide d'un système hybride composé d'une tête commerciale (SMENA, NT-MDT), d'électronique maison et d'un amplificateur de verrouillage numérique (Zurich HF2LI). L'installation fonctionnait en mode de contact intermittent (ICM). Les porte-à-faux utilisés sont disponibles dans le commerce auprès de MikroMasch (HQ : NSC35). La taille d'imagerie de 2 × 2 µm2 a été choisie afin d'observer la texture fine et de fournir une vue suffisamment large.

L'analyse morphologique montre que les films SA et PMMA sont très plats (Fig. 9), avec une rugosité RMS de 0,3 et 0,2 nm, respectivement. Les films SA par rapport aux films PMMA présentent une texture différente avec des caractéristiques plus petites. Tous les films Au sont également très plats, bien que plus rugueux que les films vierges. Les films Au sur PMMA par rapport au SA présentent une texture granuleuse plus petite. Les valeurs RMS augmentent avec l'augmentation de l'épaisseur Au, avec une rugosité RMS maximale de 0,5 nm sur SA et 0,6 nm sur PMMA pour une épaisseur Au de 5 nm. Ces données ne mettent pas en évidence une transition morphologique claire de la couche d'Au dans une gamme d'épaisseur de 4 à 5 nm. Dans une précédente étude réalisée sur des feuilles de SA15, il a été montré que les clusters Au observables en surface se trouvent au-dessus d'autres clusters intégrés dans la matrice polymère. La transition de la conductance électrique peut donc être attribuée à l'atteinte d'une proximité critique des clusters intégrés dans la matrice polymère.

Analyse par microscopie à force atomique. Données morphologiques des films Au pulvérisés sur des films SA (panneaux supérieurs) et PMMA (panneaux inférieurs) supportés sur du verre.

Les caractérisations de transport électrique des échantillons testés ont été effectuées dans un réfrigérateur à cycle fermé à température stabilisée, mod. Janis CCS-350S (Lake Shore Cryotronics, Westerville, OH, USA), couvrant une large gamme de températures de 300 à 10 K. Une polarisation et une lecture électroniques DC et AC à faible bruit ont été utilisées. En particulier, le courant de polarisation appliqué était alimenté par une source de courant continu, mod. Keithley 220 (Tektronix, Beaverton, OR, États-Unis). Tandis que le signal AC a été amplifié avec une électronique maison, optimisée pour les mesures à faible bruit39,40,41, et a été acquis par un analyseur de signal dynamique de type HP35670A (Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA).

Ici, il est important de souligner le fait que les courbes de fond contiennent les informations pertinentes et, par conséquent, les pics visibles dans les spectres tension-bruit ne sont pas pris en compte dans l'analyse, car ils sont dus à des sources parasites externes. Ces contributions parasites parasites peuvent également être générées par les contacts. Afin de réduire ces composants extrinsèques, deux types différents de connexions électriques ont été réalisés. Le premier utilisait deux bandes de cuivre recouvertes d'Au noyées dans du Kapton, placées à une distance d'environ 5 mm, pressées mécaniquement sur la surface de l'échantillon pour obtenir une géométrie à quatre contacts (voir Fig. 10a, pour plus de détails). Alternativement, un deuxième type de configuration de contact a été réalisé en déposant quatre pastilles Au, de 60 nm d'épaisseur et distantes de 1 mm, connectées aux fils avec de la pâte d'argent (voir Fig. 10b, pour plus de détails). Dans tous les cas, le bruit de contact s'est avéré négligeable par rapport au bruit électrique global mesuré.

Configuration des contacts électriques. (a) Photographie du porte-échantillon utilisé pour les mesures réalisées avec des pastilles de contact pressées mécaniquement. ( b ) Photographie d'un échantillon étudié typique avec des tampons Au en ligne déposés sur la surface pour les connexions électriques.

Les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles auprès des auteurs correspondants sur demande raisonnable.

Forti, V., Baldé, CP, Kuehr, R. & Bel, G. The Global E-waste Monitor 2020 : Quantités, flux et potentiel d'économie circulaire. Université des Nations Unies (UNU)/Institut des Nations Unies pour la formation et la recherche (UNITAR)—Programme SCYCLE co-organisé, Union internationale des télécommunications (UIT) et Association internationale des déchets solides (ISWA), Bonn/Genève/Rotterdam (Université des Nations Unies (UNU)/Institut des Nations Unies pour la formation et la recherche (UNITAR)—Programme SCYCLE co-organisé, Union internationale des télécommunications (UIT) et Association internationale des déchets solides (ISWA), 2020).

Ilyas, S., Srivastava, RR, Kim, H., Das, S. & Singh, VK Bioéconomie circulaire et innocuité environnementale grâce au recyclage microbien des déchets électroniques : une étude de cas sur la restauration du cuivre et de l'or. Gestion des déchets 121, 175–185 (2021).

Article CAS Google Scholar

Ahirwar, R. & Tripathi, AK Gestion des déchets électroniques : un examen du processus de recyclage, des risques pour la santé liés à l'environnement et au travail et des solutions potentielles. Environ. Nanotechnologie. Monit. Géré. 15, 100409 (2021).

Google Scholar

Cocchi, M. et al. OLED entièrement recyclables construits sur un substrat de biopolymère flexible. Maintien ACS. Chim. Ing. 9, 12733–12737 (2021).

Article CAS Google Scholar

Jung, YH et al. Electronique flexible verte haute performance à base de papier nanofibril de cellulose biodégradable. Nat. Commun. 6, 7170 (2015).

Annonces d'article Google Scholar

Li, W. et al. Matériaux biodégradables et traitement vert pour l'électronique verte. Adv. Mater. 32, 2001591 (2020).

Article CAS Google Scholar

Irimia-Vladu, M. Électronique "verte": matériaux et dispositifs biodégradables et biocompatibles pour un avenir durable. Chim. Soc. Rév. 43, 588–610 (2014).

Article CAS Google Scholar

Du, B.-W. et coll. Matériaux composites biopolymères chitosane/Y2O3 respectueux de l'environnement et biodégradables dans des transistors organiques flexibles à couches minces. Matériaux 10, 1026 (2017).

Article Google Scholar

Maddaloni, M., Vassalini, I. & Alessandri, I. Voies vertes pour le développement d'hydrogels durables de chitine/chitosane. Soutenir. Chim. 1, 325–344 (2020).

Article Google Scholar

Li, R.-W. & Liu, G. Électronique flexible et extensible. Électronique flexible et extensible (Pan Stanford Publishing Pte Ltd, 2019). https://doi.org/10.1201/9780429058905.

Lee, C., Kim, S. & Cho, Y.-H. Soie et papier : Progrès et perspectives en photonique et électronique vertes. Adv. Soutenir. Syst. 6, 2000216 (2020).

Article Google Scholar

Wen, D.-L. et coll. Progrès récents dans l'électronique flexible à base de fibroïne de soie. Microsystème. Nanoeng. 7, 35 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Rehm, BHA & Moradali, MF Alginates et leurs applications biomédicales (Springer, 2018). https://doi.org/10.1007/978-981-10-6910-9_1.

Pawar, SN & Edgar, KJ Dérivatisation de l'alginate : un examen de la chimie, des propriétés et des applications. Biomatériaux 33, 3279–3305 (2012).

Article CAS Google Scholar

Maccagnani, P. et al. Conducteurs flexibles d'algues brunes pour l'électronique verte. Adv. Soutenir. Syst. 3, 1900001 (2019).

Article Google Scholar

Barone, C. et al. Transport électrique dans des feuilles autoportantes d'alginate de sodium recouvertes d'or. Nanomatériaux 11, 565 (2021).

Article CAS Google Scholar

Andersson, T. Les propriétés électriques des films d'or ultra-minces pendant et après leur croissance sur le verre. J.Phys. D. Appl. Phys. 9, 973–985 (1976).

Article ADS CAS Google Scholar

Yajadda, MMA, Müller, K.-H. & Ostrikov, K. Effet du blocage de Coulomb, de la résistance à l'or et de la dilatation thermique sur la résistance électrique des films d'or ultrafins. Phys. Rév. B 84, 235431 (2011).

Annonces d'article Google Scholar

Henriquez, R. et al. Effet d'un tensioactif métallique sur la percolation électrique de films d'or. Appl. Le surf. Sci. 489, 403–408 (2019).

Article ADS CAS Google Scholar

Siegel, J., Lyutakov, O., Rybka, V., Kolská, Z. & Švorčík, V. Propriétés des nanostructures d'or pulvérisées sur du verre. Nanoscale Res. Lett. 6, 96 (2011).

Annonces d'article Google Scholar

Leosson, K. et al. Films d'or ultra-fins sur polymères transparents. Nanophotonique 2, 3–11 (2013).

Article ADS CAS Google Scholar

Sheng, P. Conduction tunnel induite par les fluctuations dans les matériaux désordonnés. Phys. Rév. B 21, 2180–2195 (1980).

Article ADS CAS Google Scholar

Kogan, S. Bruit électronique et fluctuations des solides (Cambridge University Press, 1996). https://doi.org/10.1017/cbo9780511551666.

Bendat, JS & Piersol, AG Données aléatoires : Procédures d'analyse et de mesure : Quatrième édition (Wiley Blackwell, 2012). https://doi.org/10.1002/9781118032428.

Barone, C. et al. Sondage des mécanismes de transport des films supraconducteurs BaFe2As2 et des jonctions joints de grains par spectroscopie de bruit. Sci. Rep. 4, 6163 (2014).

Article CAS Google Scholar

Przybytek, J. et al. Bruit de conductivité télégraphique aléatoire robuste dans des monocristaux de la manganite isolante ferromagnétique La0.86Ca0.14MnO3. Phys. Rév. B 95, 125101 (2017).

Annonces d'article Google Scholar

Dutta, P. & Horn, PM Fluctuations basse fréquence dans les solides : bruit 1/f. Rév. Mod. Phys. 53, 497–516 (1981).

Article ADS CAS Google Scholar

Hooge, Sources de bruit FN 1/f. IEEE Trans. Appareils électroniques 41, 1926–1935 (1994).

Article ADS CAS Google Scholar

Weissman, MB Bruit 1/f et autres cinétiques lentes non exponentielle dans la matière condensée. Rév. Mod. Phys. 60, 537-571 (1988).

Article ADS CAS Google Scholar

Chandni, U., Ghosh, A., Vijaya, HS & Mohan, S. Criticité de l'accord dans les transitions de phase athermiques. Phys. Rév. Lett. 102, 25701 (2009).

Article ADS CAS Google Scholar

Chandni, U. & Ghosh, A. Capteur cinétique simple aux transitions structurelles. Phys. Rév. B 81, 134105 (2010).

Annonces d'article Google Scholar

Barone, C. et al. Démêler l'état métastable à basse température dans les cellules solaires à pérovskite par spectroscopie de bruit. Sci. Rep. 6, 34675 (2016).

Article ADS CAS Google Scholar

Pagano, S. et al. Nanofils supraconducteurs à base de fer : transport électrique et propriétés tension-bruit. Nanomatériaux 10, 862 (2020).

Article CAS Google Scholar

Dutta, P., Dimon, P. & Horn, PM Échelles d'énergie pour les processus de bruit dans les métaux. Phys. Rév. Lett. 43, 646–649 (1979).

Article ADS CAS Google Scholar

Hooge, FN, Kleinpenning, TGM & Vandamme, LKJ Études expérimentales sur le bruit 1/f. Rapports Prog. Phys. 44, 479–532 (1981).

Annonces d'article Google Scholar

Stephany, JF Origine du bruit 1/f dans les conducteurs métalliques et les semi-conducteurs. Phys. Rév. B 46, 12175–12180 (1992).

Article ADS CAS Google Scholar

Barone, C. et al. Transport de type Kondo et effet de champ magnétique des fluctuations des porteurs de charge dans les couches minces d'oxyde d'aluminium granulaire. Sci. Rep. 8, 13892 (2018).

Article ADS CAS Google Scholar

Di Trolio, A. et al. Mécanismes de transport dans les couches minces polycristallines de ZnO co-dopé (ZCO) et de ZCO irradié à l'H. Phys. Chim. Chim. Phys. 23, 2368-2376 (2021).

Article Google Scholar

Barone, C. et al. Technique expérimentale pour réduire le bruit de contact et de fond dans les mesures de densité spectrale de tension. Rev. Sci. Instrument. 78, 093905 (2007).

Article ADS CAS Google Scholar

Routoure, JM, Wu, S., Barone, C., Méchin, L. & Guillet, B. Une source de courant continu à faible bruit et quasi idéale dédiée aux mesures de bruit basse fréquence à quatre sondes. IEEE Trans. Instrument. Mes. 69, 194-200 (2020).

Article CAS Google Scholar

Barone, C. & Pagano, S. Que peut nous dire la spectroscopie de bruit électrique sur la physique des pérovskites ?. Revêtements 11, 96 (2021).

Article CAS Google Scholar

Télécharger les références

Les auteurs tiennent à remercier S. Abate du CNR-SPIN Salerno (Italie) pour son soutien technique. L'Université de Salerne a partiellement soutenu ce travail par le biais de subventions 300391FRB19PAGAN et 300391FRB20BARON. L'INFN est également remercié par les expériences SIMP, Qub-IT et DARTWARS.

Département de physique "ER Caianiello", Université de Salerne, Via Giovanni Paolo II 132, 84084, Fisciano, SA, Italie

Charles Baron & Sergio Pagan

CNR-SPIN Salerno, c/o Université de Salerne, 84084, Fisciano, SA, Italie

Charles Baron & Sergio Pagan

INFN Connected Group of Salerne, c/o Université de Salerne, 84084, Fisciano, SA, Italie

Charles Baron & Sergio Pagan

CNR-Institut de Microélectronique et Microsystèmes, Via P. Gobetti 101, 40129, Bologne, Italie

Piera Maccagnani

CNR-Institut National d'Optique, Via G. Moruzzi 1, 56124, Pise, Italie

Franco Dinelli

Département des sciences chimiques, pharmaceutiques et agricoles, Université de Ferrare, Via L. Borsari 46, 44121, Ferrare, Italie

Monique Bertoldo

Institut de synthèse organique et de photoréactivité, Conseil national de la recherche, Via P. Gobetti 101, 40129, Bologne, Italie

Monica Bertoldo et Massimo Cocchi

Département d'ingénierie E. Ferrari, Université de Modène et Reggio Emilia, 41125, Modène, Italie

Raffaella Capelli

CNR-Institut Institute of Materials Workshop, SS 14, km 163,5 in Area Science Park, 34012, Trieste, Italie

Raffaella Capelli

Département de physique, Université de Johannesburg, PO Box 524, Auckland Park, 2006, Afrique du Sud

Raffaella Capelli

CNR-Institut pour l'étude des matériaux nanostructurés (ISMN), Via Piero Gobetti 101, 40129, Bologne, Italie

Mirko Seri

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

CB et SP ont effectué les mesures électriques et de bruit. PM, FD et MB ont contribué à la préparation des matériaux et aux outils d'analyse structurale/morphologique. RC, MC et MS ont développé le modèle théorique. Tous les auteurs ont analysé et interprété les données et ont également contribué à la rédaction de l'article. La version soumise du manuscrit a été acceptée par tous.

Correspondance à Carlo Barone ou Sergio Pagano.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui permet l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur tout support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Barone, C., Maccagnani, P., Dinelli, F. et al. Conduction électrique et spectroscopie de bruit de films ultrafins recouverts d'or d'alginate de sodium pour l'électronique verte flexible. Sci Rep 12, 9861 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14030-2

Télécharger la citation

Reçu : 20 janvier 2022

Accepté : 18 mai 2022

Publié: 14 juin 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-14030-2

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.