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


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STM & photons

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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 (SINanO) : roland.coratger[at]cemes.fr
Contact (GNS) : olivier.guillermet[at]cemes.fr
Contact (NeO) : renaud.pechou[at]cemes.fr

Au CEMES, l’étude expérimentale de ce phénomène est maintenant possible à l’ambiante dans la salle blanche du laboratoire. Pour cela, un système original de collection des photons émis au moyen de fibres optiques à grande ouverture numérique est mis en place sur un microscope à champ proche hybride (AFM-STM-PSTM, figure ci-dessous). Ces fibres 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 sont corrélées aux images STM acquises simultanément.

Figure 1 : STM/AFM Dimension 3000 et spectres d’émission obtenus sur une jonction Au/Au. © 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.

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 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 métalliques (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. Elle est aussi utilisée pour étudier la luminescence de semiconducteurs bidimensionnels (tels que les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) par exemple) excitée localement par les électrons tunnel.

Matériel utilisé : STM Dimension 3000, PM Hamamatsu refroidi, Spectroscope Princeton à matrice CCD refroidie LN2, électronique de comptage.

Collaborations : Rice University (Pr. J. Lou), partie mécanique du Pole Ingénierie.

 

[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).