Spectroscopie de point de contact

Spectroscopie de point de contact
Colin Lopez, Marcel Tencé, Luc Fruchter, Frédéric Bouquet
La spectroscopie de point de contact (PCS) : un « trou de serrure » mésoscopique
La résistance de contact entre une
pointe et un métal présente différents
régimes, selon la dimension (d) de ce
contact et des libres parcours moyens
élastiques (lel) et inélastiques (lin) des
électrons.
mises en évidence par la mesure de
dV/dI ou de d²V/dI².
Plus les contacts sont petits, plus les
effets mésoscopiques seront
importants.
En étudiant l’importance de ces
déviations en fonction de la tension de
polarisation V (et donc de l’énergie des
porteurs de charges), on obtient des
informations sur le phénomène
physique à l’origine du mécanisme de
rétrodiffusion.
On observe alors des déviations à la loi
d’Ohm, déviations qui peuvent être
Exemple : phonons
gap supraconducteur
Régime ballistique, d << l el , l in
N
ph
(La rétrodiffusion sonde les
excitations du milieu à étudier :
phonons, quasi-particules du
supraconducteur)
V=RI
(Voir résistance R plus haut)
S
R ~ ρ / d
R ~ RQ / (kF d2) (RQ = h/2e2)
En moyenne, le contact ballistique sonde la
surface de Fermi (kF) , mais où est la
spectroscopie ?
e
t
Rétrodiffusion par un phonon
metal
R ~ ρ(Τloc) / d
Régime diffusif, l el << d << (l el l in )1/2
Ordre 1 : V(I) non-linéaire
Ordre 0 : V(I) est linéaire
Rétrodiffusion sur un supraconducteur
"
En pratique, les contacts mésoscopiques permettent d ’atteindre des
densités de courants pour lesquelles e x E x L ~ énergie à sonder (Debye ou Δ),
parce qu’il n’y a pas d ’échauffement local. Dans le massif, il faudrait des
densités de l’ordre de 109 A / cm2
d
Pointe
Régime thermique, l el , l in << d
"
En considérant les processus de retro-diffusion, les porteurs peuvent
perdre une partie de leur énergie, dépendante des excitations du milieu
(phonons, quasi-particules), ce qui permet de sonder le matériau.
isolant
e
Spectre de contact et spectre de phonons
pour LSCO (Yanson et al 1987 et Belushkin et al 1989)
Gap supraconducteur et pseudo gap pour YBCO
(Rybaltchenko 1990)
Avantage de la technique : moins contraignant pour la qualité de
la surface que le STM
Inconvénients : non résolu spatialement, qualité du matériau
sondé non contrôlée, plusieurs régimes possible
Contrairement au STM (scanning tunneling microscope), ce ne sont pas directement les
densités d ’états de la pointe et du matériau qui sont comparées par effet tunnel, mais
les processus de retrodiffusion de la charge.
Notre montage intègre cependant les contraintes d ’un STM.
De la théorie à la pratique, comment « chatouiller » les atomes
Electronique dédiée à la spectroscopie de point de contact (utilisable également pour la microscopie à effet tunnel) :
ª
ª
ª
ª
ª
La pointe équipée de 2 piezos et de 5 electrodes peut se mouvoir suivant les 3 axes avec une précision à l’échelle de l’atome
Un amplificateur de courant programmable pour amplifier un courant de quelques pA à une trentaine de mA
Polarisation de l’échantillon programmable à laquelle s’ajoute une tension externe AC utilisée par la détection synchrone
Extraction de la composante AC du courant amplifié pour la détection synchrone (courbes dI/dV, d²I/dV² )
L’unité de calcul embarquée gère parallèlement :
–
le déplacement en collé-glissé de la pointe suivant X ou Z pour la phase d’approche (courbes programmables)
–
le déplacement de la pointe via les piezzos pour le balayage
–
l'asservisement numérique de la pointe en courant ou en altitude (les seuils d’approche, la fréquence et le pas sont programmables)
–
le prétraitement du courant tunnel (moyennage, filtrage numérique)
ª Logiciels de stockage des données et d’imagerie (VisualBasic pour la spectroscopie et DigitalMacrograph pour l’imagerie en microscopie)
RACK PCS - STM
AMPLI COURANT FAIBLE BRUIT
I(t)
AC+DC
G1
G2
ADC
DC
G3
12bits 25Msps
DETECTION
SYNCHRONE
GAINS PROGRAMMABLE
AMPLIS Haute Tension
POINTE PIEZO
XY+
DAC
YX+
16bits
FPGA
6Msps/ch
(Unité de calcul)
Z
Zmacro
DC
X
Y
CHIP USB
AC
S
I(t)
v(t)
IAC(t)
WINDOWS XP
V(t)
AC+DC
dI/dV
d²I/dV²
CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES :
ª
ª
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ª
5 voies bipolaires ± 150 V pour la commandes des piezos : ± 1mV de bruit, bande-passante 25 kHz
1 voie bipolaire ± 300 mV pour la tension de polarisation de l’échantillon
Contrôle numérique des 6 voies : 16 bits à 6 MSPS [1] sur chaque voie
Une tête d’amplification du courant tunnel avec gains programmable : bande-passante supérieure à 1.5 kHz pour les forts gains, gains de 500 à 1010
Une entrée de numérisation du courant tunnel amplifié (ADC) : 12 bits à 25 MSPS [1]
Appareil équipé d’un circuit logique programmable (FPGA) cadencé à 48 MHz connecté en USB2 au PC.
[1] méga-échantillons par seconde
Poster présenté aux journées techno’08 du LPS, 29 et 30 mai 2008