Spectroscopie de nanoparticules

Axe : NanoElectronique (NE)
Quantum Transport Group
http://qtg.lpem.espci.fr/
Laboratoire Physique et Etudes des Matériaux (LPEM) - ESPCI
10 Rue Vauquelin, 75005 Paris
http://www.lpem.espci.fr
Responsable d’équipe :
Hervé Aubin
Herve.Aubi[email protected]
Membres permanents de l’équipe :
Hervé Aubin
Herve.Aubi[email protected]
Alexandre Zimmers
Alexan[email protected]
Support Technique :
Francis Cassagne
[e-mail]
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 Activité scientifiques de l’équipe :
Le groupe est spécialisé dans l’étude des propriétés de transport électronique quantique,
transport hors-équilibre et spectroscopie tunnel (nanogap et STM) de matériaux fortement
corrélés dans le régime de fort confinement spatial. Ces études sont essentiellement
motivées par des questions fondamentales de physique des solides, mais également par la
volonté de contribuer à l’émergence de nouvelles architectures électroniques, comme
l’électronique moléculaire, la spintronique, les systèmes mémorésistif, ou l’électronique
quantique.
Le premier thème qui nous intéresse est l’étude des effets du confinement quantique dans
divers types de nanoparticules synthétisées par voie chimique, en particulier :
- Des nanoparticules supraconductrices. Dans un supraconducteur, le condensat
superfluide est formé de la condensation de Bose d’un nombre macroscopique de
paires de Cooper, i.e. les bosons élémentaires de la supraconductivité. Dans une
nanoparticule, seul un nombre réduit de paires de Cooper subsistent. Quelle est la
nature de l’ordre supraconducteur lorsqu’une seule paire de Cooper subsiste dans la
nanoparticule ? Existe-t-il des fluctuations quantiques ?

- Des nanoparticules de magnétite (Fe3O4). La magnétite présente une transition
métal-isolant à la température de Verwey, Tv~120 K. Une transition qui présente de
nombreuses similarités avec la cristallisation de Wigner due aux interactions de
Coulomb. Grâce à la possibilité de synthétiser des populations monodisperses de
nanoparticules de magnétite, ce système constitue un cas idéal pour étudier les
effets du confinement quantique dans des matériaux présentant de fortes interactions
de Coulomb.
Le second thème qui nous intéresse est la réalisation de circuits ioniques ou de circuits
hybrides combinant matériaux semiconducteurs et conducteurs ioniques. Ces travaux ont
pour objectif, d’une part :
- L’étude du diagramme de phase de matériaux divers en fonction du dopage dans des
dispositifs de type transistor à double couche électrostatique.
- La réalisation de circuits ioniques par microfabrication pour la réalisation de canaux
ioniques, diodes ioniques, transistors ioniques, etc
- La mise en forme du dopage à l’échelle nanométrique via la lithographie électronique
d’électrolytes déposées sur des semiconducteurs.
 Recherche(s) et résultat(s) obtenu(s) dans les domaines d’actions des
nanosciences :
Transport électronique dans des reseaux de nanoparticules
Réseau de nanoparticules d’or obtenu
par la méthode de Langmuir.
Dans les nanoparticules, l’énergie de Coulomb
élevée a pour conséquence de supprimer les
fluctuations de charge. Dans un réseau de
nanoparticules, cela conduit à des lois de transport
activées où l’énergie d’activation est déterminée par
cette énergie de Coulomb. Une expérience récente
de mesures du transport électronique dans des
réseaux de nanoparticules couplées par des
molécules alcanes de longueurs variables nous a
permis de montrer qu’en augmentant le couplage
tunnel entre nanoparticules, le transport électronique
devient contrôlé par le phénomène de cotunneling,
lequel permet des longueurs de saut tunnel
« effectives » variables, ce qui se traduit par des lois
de transport de type « Variable Range Hopping ».
“Electron Cotunneling Transport in Gold Nanocrystal Arrays” H.
Moreira, Q. Yu, B. Nadal, B. Bresson, M. Rosticher, N.
Lequeux, A. Zimmers, and H. Aubin
Phys. Rev. Lett. 107, 176803 (2011)

Spectroscopie tunnel de nanoparticules individuelles
La figure du dessus présente le dispositif de
projection. Actuellement, ce dispositif est
installé dans une boite à gants.
La figure du dessous présente un tracé
couleur de la résistance différentielle dV/dI
d’une nanoparticule de magnétite en fonction
de la température et de la tension appliquée
entre les deux électrodes. Ce tracé
démontre que la ligne de transition de
Verwey peut être franchie en augmentant
soit la température soit le champ électrique.
Afin de réaliser la spectroscopie tunnel de
nanoparticules sur circuit, nous avons développé
un dispositif permettant de projeter les
nanoparticules sous vide. Après chaque projection,
le courant tunnel est mesuré pour vérifier la
présence d’une nanoparticule. Le dispositif permet
des centaines de projections en quelques heures,
ce qui augmente considérablement la probabilité
de piéger une nanoparticule. Ce dispositif a été
testé avec des nanoparticules d’or, jonctions qui
ont démontré la présence du blocage de Coulomb.
Ce dispositif a ensuite été utilisé pour piéger des
nanoparticules de magnétite. Les échantillons
réalisés ont permis la première étude de la
transition de Verwey en fonction de la température
et du champ électrique dans une nanoparticule
unique.
“In-Vacuum projection of nanoparticles for on-chip
tunnelling spectroscopy”
Qian Yu, Limin Cui, Nicolas Lequeux, Alexandra
Zimmers, Christian Ulysse, Valentina Rebuttini, Nicola
Pinna, and Hervé Aubin
ACS Nano, 2013, 7 (2), pp 1487–1494
“Electric field induced Verwey transition in a single
magnetite nanoparticle”
Q. Yu, H. Wang, A. Mottaghizadeh, A. Zimmers, H.
Aubin. En preparation

Microscopie à force électrostatique au voisinage de transitions métal-isolant
Images EFM mesurée à trois températures,
pour des distances croissantes entre la pointe
et l’échantillon
La réponse au champ électrique d’un matériau est
reliée à sa compressibilité électronique, laquelle
est une grandeur thermodynamique fondamentale
pour les systèmes électroniques.
La microscopie à force électrostatique, EFM,
permet une mesure très sensible de la force
électrostatique et donc du champ électrostatique
entre une pointe et un substrat, et cela, à l’échelle
de la longueur d’écrantage de Debye.
La microscopie EFM est donc potentiellement un
outil adaptée à la mesure de la compressibilité
électronique de matériaux massifs ou de
nanoobjets.
Nous avons utilisé la microscopie EFM pour
étudier la transition isolant à métal induite par un
champ électrique dans VO2, ainsi que pour étudier
les propriétés d’écrantage/diélectrique de
nanoparticules de Fe3O4.
“Nanoparticles charge response from Electrostatic
Force Microscopy”
A. Mottaghizadeh, P. Lang, L. Cui, J. Lesueur, V.
Rebuttini, N. Pinna, A. Zimmers and H. Aubin
Appl. Phys. Lett. 102, 053118 (2013)
“Electric-field-driven phase transition in vanadium
dioxide”
B. Wu, et al. Phys. Rev. B 84, 241410 (2011)

Fluctuations supraconductrices et effets du confinement sur la
supraconductivité
Nanoparticules de Plomb
supraconductrices synthétisées au
laboratoire.
La supraconductivité est caractérisée par la
formation de paires de Cooper et l’établissement de
d’une cohérence de phase entre ces paires de
Cooper. En réduisant le volume d’une nanoparticule,
le nombre d’électrons participant à la formation du
condensat superfluide diminue. Pour des
nanoparticules de plomb d’une dimension environ 5
nm, on peut estimer qu’une seule paire de Cooper
devrait subsister dans la nanoparticule. De
nombreuses questions subsistent quant à la nature
de ce condensat superfluide formé d’un nombre
réduit de paires de Cooper. Nous avons pu mettre au
point au laboratoire une méthode de synthèse de
nanoparticules de plomb supraconductrice. Ces
nanoparticules sont désormais employées pour
l’étude des effets du confinement quantique sur la
supraconductivité.
“Synthesis of Monodisperse Superconducting Lead
Nanocrystals”
Irene Resa, Hélèna Moreira, Bruno Bresson, Benoit Mahler,
Benoit Dubertret and Hervé Aubin
J. Phys. Chem. C, 2009, 113 (17)
“Nernst effect as a probe of superconducting fluctuations
in disordered thin films”
A Pourret, P Spathis, H Aubin and K Behnia
New Journal of Physics 11, 055071(2009)
“Observation of the Nernst signal generated by fluctuating
Cooper pairs”
A. Pourret, H. Aubin, J. Lesueur, C.A. Marrache-Kikuchi, L.
Bergé, L. Dumoulin, K. Behnia
Nature Physics 2 (10) 683-686 (2006)