Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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Emission de photons induite par STM

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En positionnant une pointe métallique de microscope à effet tunnel (STM) à quelques angströms de la surface d’un échantillon métallique ou semiconducteur, il est possible de mettre en évidence, sous certaines conditions de tension de polarisation, une émission de photons engendrée par la jonction tunnel polarisée. Cette source de lumière extrêmement localisée permet l’étude à une échelle nanométrique des processus inélastiques dont la jonction tunnel est le siège.

Contact : renaud.pechou[at]cemes.fr

Au CEMES, l’étude expérimentale de ce phénomène est développée à l’ambiante dans la salle blanche du laboratoire sur un microscope à champ proche hybride (AFM-STM-PSTM) sur lequel a été adapté un système original de collection des photons émis par la jonction tunnel au moyen de fibres optiques à grande ouverture numérique. Ces dernières constituent le premier maillon de deux chaînes de mesures distinctes. La première, constituée d’un photomultiplicateur refroidi et fonctionnant en mode comptage de photons dans la gamme 185-900 nm, permet de dresser des cartographies photoniques (nombre de photons émis en chaque point de la zone explorée sur la surface de l’échantillon), et la seconde consiste en un spectromètre équipé d’une matrice CCD refroidie à l’azote liquide qui permet d’accéder aux caractéristiques spectrales du rayonnement émis dans la gamme 300-1050 nm. Ces données expérimentales peuvent bien sûr être corrélées aux images STM acquises simultanément.

Figure 1 : La figure présente un exemple de données expérimentales acquises sur une jonction tunnel constituée par une pointe en or et des ilôts d’or épitaxiés sur un substrat de MoS2. © CEMES-CNRS

 

Les mécanismes physiques élémentaires responsables de cette émission dépendent du type d’échantillon étudié : désexcitation radiative de modes plasmons localisés excités par les électrons tunnel inélastiques dans le cas de jonctions métal-métal et recombinaisons radiatives électron-trou dans le cas de jonctions métal-semiconducteur.

Figure 2 : La figure présente un exemple de données expérimentales acquises sur une jonction tunnel constituée par une pointe en or et des ilôts d’or épitaxiés sur un substrat de MoS2. © CEMES-CNRS

 

L’émission de lumière stimulée par STM est complémentaire d’autres techniques d’analyse en champ proche plus classiques développées au laboratoire, telles que le STM ou le champ proche optique. Elle doit nous permettre d’accéder à l’étude de propriétés physiques fondamentales (la densité d’états plasmonique par exemple) sur des nanostructures ou des assemblages de nanostructures (bâtonnets, prismes, guides d’onde sub-longueur d’onde). Elle peut également être pertinente pour étudier les effets du couplage entre ces nanostructures et l’apparition des modes hybrides qui en découle.

 

[1] A. Carladous et al., Phys. Rev. B 66, 045401 (2002).

[2] R. Péchou et al., Appl. Phys. Lett. 72, 671 (1998).

[3] C. Maurel et al., Surf. Sci. 600, 442 (2006).