D`es sa mise au point, les chercheurs ont compris que le STM ouvrait une fantastique fenˆetre pour observer des ´echantillons vari´es `a l’´echelle atomique. De plus, sa grande flexi- bilit´e d’utilisation et l’aisance avec laquelle il ´etait possible de faire varier les param`etres exp´erimentaux que sont la tension et le courant tunnel ainsi que la hauteur de la pointe permettait de caract´eriser les propri´et´es de conduction de la jonction tunnel.
En parall`ele, se sont d´evelopp´ees de nombreuses techniques de microscopies en champ proche, bas´ees sur la mesure d’une propri´et´e locale (hauteur, absorption optique, pro- pri´et´es magn´etiques...) avec une pointe. Citons entre autres la microscopie `a force ato- mique (AFM), permettant de sonder aussi des surfaces isolantes en mesurant la force m´ecanique entre la pointe et le substrat et les microscopies type SNOM (scanning near– field optical microscope) consistant `a collecter l’information optique contenue dans le champ ´evanescent issu de l’interaction entre la pointe et la surface.
Un int´erˆet grandissant s’est aussi port´e sur l’´emission par la jonction de photons, probablement porteurs d’informations suppl´ementaires sur les propri´et´es ´electroniques et structurelles de la jonction. La suite du manuscrit est consacr´ee `a ce processus.
Chapitre 2
Emission de photons induite par la
pointe du STM
Les bases de la microscopie `a effet tunnel ´etant pos´ees, nous allons nous attacher, dans ce second chapitre introductif, `a la description du processus d’´emission induite par STM. Apr`es un court historique et une rapide pr´esentation du syst`eme exp´erimental de base pour collecter la lumi`ere ´emise au niveau de la jonction, nous d´etaillerons le m´ecanisme `a la base de l’´emission, tel qu’il est compris `a l’heure actuelle.
Nous verrons ensuite, `a travers l’exemple d’un syst`eme simple, la face (110) de l’or, les questions encore d’actualit´e pour interpr´eter l’origine des caract´eristiques de la lumi- nescence induite par STM.
2.1
Exp´eriences pionni`eres
2.1.1
Lumi`ere ´emise par les jonctions M´etal/Oxyde/M´etal
D`es la mise au point du topografiner [3], Young ´evoque la possibilit´e d’exciter la luminescence de mol´ecules `a l’aide de son appareil.
En 1976, J. Lambe et S. L. McCarthy rapportent la d´ecouverte d’une nouvelle m´ethode de g´en´eration de lumi`ere [10]. Leur source consiste en une jonction sandwich m´etal / isolant (oxyde) / m´etal (M-O-M) constitu´ee d’une ´electrode plane d’aluminium d’´epaisseur 50 nm, oxyd´ee sur quelques nm en surface et d’une contre–´electrode m´etallique d’´epaisseur 20 `a 30 nm dont la face externe est rendue l´eg`erement rugueuse par attaque chimique.
Lorsqu’on la polarise, de la lumi`ere visible ´emane de toute la surface de la jonction. La couleur de l’´emission varie avec la tension V appliqu´ee mais le ph´enom`ene est ind´ependant du signe de celle–ci. De plus, il existe une fr´equence de coupure νcq marquant la limite
sup´erieure en ´energie du spectre de la lumi`ere ´emise et qui varie lin´eairement avec la ten- sion selon la loi hνcq = e|V |. Cette limite indique que l’excitation est d’origine quantique,
et se fait probablement par effet tunnel in´elastique, les ´electrons donnant au photon une ´energie au plus ´egale `a e|V |.
Les propri´et´es de la lumi`ere ´emise sont fortement li´ees `a la rugosit´e de la contre– ´electrode, ce qui indique que l’´energie perdue par les ´electrons est transmise `a des modes de plasmon de surface de la contre–´electrode.
Le m´ecanisme d’´emission de la lumi`ere implique donc des ´electrons traversant la jonc- tion par effet tunnel in´elastique en excitant des modes de plasmon de surface de la jonction. Des ´etudes th´eoriques men´ees par Rendell et co–auteurs [11, 12] et Laks et Mills[13, 14] sont venues renforcer cette interpr´etation.
Cependant, d’autres exp´eriences ont ensuite ´et´e r´ealis´ees avec des jonctions bas´ees sur des r´eseaux sinuso¨ıdaux. La th´eorie de Laks et Mills, ´etendue `a ces surfaces mieux d´efinies n’a pu expliquer ni le rendement plus ´elev´e observ´e, ni sa d´ecroissance avec l’´epaisseur de la contre–´electrode, ce qui a men´e Kirtley et ses collaborateurs [15] `a proposer un m´ecanisme
d’excitation des plasmons de surface par les ´electrons chauds (´elastiques) inject´es.
La difficult´e de fabriquer des jonctions bien caract´eris´ees ou de faire varier certains param`etres (comme l’´epaisseur de la jonction par exemple) empˆeche d’affiner les mod`eles th´eoriques et de mettre fin `a la controverse.
2.1.2
D´ecouverte de la luminescence d’une jonction tunnel
Cependant, la mise au point du microscope `a effet tunnel et les avanc´ees remarquables de cette technique relancent les ´etudes. Les avantages du STM par rapport aux jonc- tions M-O-M sont certains : la surface de l’´echantillon est bien d´efinie et les param`etres exp´erimentaux (polarisation de la jonction, flux d’´electrons et/ou ´epaisseur de la jonction) peuvent ˆetre choisis et modifi´es ais´ement.
En 1988, J. K. Gimzewski et ses collaborateurs mettent en ´evidence l’´emission de photons par la jonction d’un microscope `a effet tunnel, avec un substrat semi–conducteur (Si(111)) et m´etallique (Tantale polycristallin) dans l’ultraviolet [16]. Ils observent ensuite une ´emission dans le visible avec des rendements relativement ´elev´es pour des ´echantillons rugueux d’argent [17].
Ils d´emontrent, de plus, la faisabilit´e de plusieurs m´ethodes d’analyse de la lumi`ere ´emise par la jonction, dont :
• Spectroscopie isochromatique en fonction de Vt: mesure du nombre de photons N (λ)
`a une longueur d’onde fix´ee (c’est `a dire `a une ´energie fix´ee) en faisant varier le potentiel Vech de la surface, c’est `a dire l’´energie des ´electrons,
• Spectroscopie de luminescence : analyse en longueur d’onde (c’est `a dire en ´energie) de la lumi`ere ´emise en gardant Vech, c’est `a dire l’´energie des ´electrons, constante,
• Cartes de photons : enregistrement simultan´e de la hauteur de la pointe et du nombre de photons d´etect´es afin d’´etablir deux images, une du relief et une de l’intensit´e d’´emission locale de la surface.