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Imagerie d’un nanocircuit combinant la microscopie à force à la spectroscopie tunnel

La microscopie tunnel (STM) permet d’imager des surfaces avec une résolution si grande que tous les détails atomiques deviennent visibles.. Elle permet également de réaliser une spectroscopie locale des propriétés électroniques de nano-objets avec la même résolution spatiale. Ceci implique toutefois une surface d’échantillon métallique. Cette microscopie est donc mal adaptée à l’étude de structures métalliques méso- ou nanoscopiques réalisées sur des substrats isolants. Au contraire, la microscopie de force atomique permet d’imager n’importe quel type de surface, mais n’apporte pas d’information sur les propriétés électroniques.

L’équipe « Champ Proche » de l’Institut Néel a mis au point une nouvelle microscopie en champ proche combinant la microscopie de force à spectroscopie tunnel à très basse temperature. Ce microscope permet ainsi l’étude en champ proche de nanostructures partiellement isolantes en surface. Pour ceci, nous utilisons un diapason piézo-électrique en quartz sur lequel nous contactons électriquement une pointe tunnel. Le diapason de quartz apporte sa rigidité naturelle à cette sonde hybride, permettant ainsi une excellente stabilité de la jonction tunnel en mode spectroscopique. Les très basses temperatures (50 mK) atteintes par ce microscope garantissent une très bonne resolution énergétique. Nous avons étudié les propriétés supraconductrices locales d’un fil submicronique de Nb épitaxié sur saphir. L’image AFM permet de localiser sur la surface de saphir isolant un fil de 8 nm de haut. Après avoir positionné la pointe sur le fil, le microscope est basculé en mode tunnel, de façon à réaliser la spectroscopie locale. Nous avons ainsi mesuré l’évolution de la densité d’états électroniques en fonction de la position. Les résultants montrent une bonne homogénéité des propriétés de surface. Cette nouvelle approche expérimentale ouvre de larges perspectives sur la mesure des effets hors-équilibre dans les nanostructures supraconductrices. Nous venons ainsi de démarrer un projet européen Nanoci-ERA en collaboration avec les universités d’Helsinki, Pise et Delft pour l’étude de la nanoréfrigération dans les junctions tunnel supraconductrices. Les échantillons étudiés ont été réalisés sur la plate-forme Nanofab-CNRS Grenoble. Ce travail a été soutenu par une AC Nanosciences 2003 “AFM-STM-NME” en collaboration avec P. Joyez et collaborateurs ainsi que par le contrat européen STREP “SFINx”.
Fig. 1 : (a) image en microscopie de force d’un fil submicronique de Nb épitaxié sur saphir.
(b) spectres tunnel mesurant la densité d’états électroniques en différents points de la nanostructure, le long de la flèche dessinée sur l’image.
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