Le contact atomique pointe-surface

Une autre utilisation d’une des pointes du 4-STM est dans le contrôle d’un contact électronique entre l’apex de la pointe et un seul atome d’or. Nous réalisons ce contact progressivement à l’aide de la mesure du courant tunnel de consigne (I) et d’une tension de polarisation (V ) de façon à fixer la hauteur Z0 entre la pointe surface. Cette hauteur est relative et ne dépend que des paramètres courant/tension et de la

4. . Les valeurs de résistances extraites ici et dans toute la suite tiennent compte de la présence de la résistance de protection du préamplificateur de environ 20 kΩ.

surface étudiée. Nous effectuerons les caractéristiques I-V, en tension et en hauteur pointe-surface, sur la surface plane d’or puis sur un seul atome d’or.

Sur Au(111)

Sur un seul

atome d'Au

(a)

(b)

(c)

D

FIGURE4.8 – Mesures de la conductance d’un atome d’or [90]. Une première image de la surface est obtenue en (a) (1nA ; 10mV). Puis, en (b) une courbe de courant d’approche (S- P-J) au-dessus de la surface est enregistrée, découvrant sur l’image suivante (b) un atome d’or sur la surface. Enfin l’approche (S-Q-K) au-dessus de cet atome est enregistrée.

Expérimentalement, on se place sur une zone atomiquement plane, sans défaut et éloignée de toute marche atomique. On stabilise la pointe et on effectue un en- registrement I-z, à l’aide par exemple du scanner PS1. À la hauteur définie par les paramètres tunnels (ici, 5 mV et 1 nA), on enregistre les courbes d’approche et de ré- traction marquées par la séquence S-P-J puis K-Q-S en Figure 4.8. Le saut au contact s’identifie par une transition abrupte entre le régime tunnel et une saturation nette du courant (Figure 4.8). Lors de la rétraction de la pointe de la surface, on réalise entre la pointe et la surface un "étranglement atomique" formé par un ou plusieurs atomes d’or entre la surface et la pointe. En effet, la présence du léger hystéresis dans la courbe d’approche/retrait indique un changement dans le courant entre l’aller et le retour de la pointe sur la surface. Le travail de sortie apparent calculé à partir de ces courbes expérimentales indique une valeur autour de 4,2 eV proche de la valeur

4.2. Mesures avec une pointe sur le LT-UHV-4 STM 51 attendue de 5 eV. Le même plateau de saturation, au "contact", reste à la même valeur après et avant chacune des deux phases. On mesure une conductance de contact de

G ≈ 0.9G0. Cette conductance différente de la valeur du quantum de conductance

G0 peut être expliquée par le changement dans le détail des couplages électroniques aux jonctions pointe/atome et atome/surface impliquant une petite asymétrie élec- tronique dans la jonction.

FIGURE4.9 – Courbe courant-tension au-dessus de l’atome d’or enregistrée à 120 nA et une tension de 5 mV, ie. juste avant le "jump-to-contact" (Q sur la courbe de la Figure 4.8). La courbe en rouge montre l’emplacement où le tracé des points expérimentaux devrait se trouver en tenant compte de l’off-set du pré-amplificateur à courant nul. On note une valeur de courant de décalage de 25 nA pour le grand calibre [0-333nA].

Par ailleurs, nous avons reproduit ces étapes de courbes approche/retrait sur la surface, jusqu’à le ré-adsorption de l’atome d’or sur la surface en provenance de l’apex de la pointe (Figure 4.8). Cette étape, ne donne pas toujours lieu au dépôt sys- tématique d’un atome d’or. On note alors que nos deux courbes d’aller et de retour ne suivent pas les mêmes valeurs en z pour un même courant tunnel, au niveau de la transition au contact. Cette différence en hauteur de pointe en z, est due à la pré- sence de l’atome déposé sur la surface et nous mène à la rugosité apparente de : 1,1 Å.

Profitant de la stabilité de l’appareil, nous avons effectué une mesure de conduc- tance directement à travers cet atome d’or. On se positionne en courant/tension sur la caractéristique précédente du contact de façon à se rapprocher de la transition, soit environ 0, 0206G0 et 0, 3100G0 (resp. avant (SP) et après (PJ) la transition). Ensuite, on enregistre le courant tunnel au cours du temps (I(t)) au-dessus de l’atome en aug- mentant progressivement le courant de consigne. Ceci nous permet de rapprocher la pointe STM de l’atome, tout en observant les variations de I(t). On obtient, après une augmentation du bruit dans le courant tunnel suivant les variations en Dz de la pointe, une variation brutale du courant de 8 nA à 120nA. La courbe courant-tension est alors enregistrée pour de faibles valeurs de tensions (-2mV ;+2mV) pour ne pas perturber la jonction et ceci juste avant cette augmentation brutale du bruit dans le courant tunnel. La résistance de la jonction (le calcul nous reporte à la note4) obtenue depuis la courbe I-V, nous donne une valeur de 13 kΩ ≈ 1/G05, environ un quantum de conductance6_.

La vérification expérimentale de la conductance au contact électronique (mais pas chimique) d’un seul atome d’or adsorbé, utilisant une des pointes STM de notre 4-STM, sur une surface d’or nous a démontré qu’on pouvait contrôler avec préci- sion une jonction tunnel jusqu’au contact atomique avec un des scanners de notre instrument. Ceci est une première étape vers l’application à la surface de silicium passivée.

Pour aller plus loin dans la validation de notre intrument, nous avons procédé à l’installation et au test d’un amplificateur à détection synchrone (ou lock-in am- plifier). En effet, lorsqu’on module la tension de polarisation de la jonction avec une tension supplémentaire de faible amplitude, on peut extraire le signal dérivé du cou- rant tunnel dI/dV par filtrage avec cette technique de spectroscopie par courant tun- nel (STS). Le lock-in monté comme indiqué sur le schéma de la figure 4.10 permet cette spectroscopie électronique. En effet, les états de surface de l’Au(111) à basse température [78, 17] sont bien connus et se situent autour de -460 meV en énergie par rapport au niveau de Fermi de la surface Au(111). Nous avons alors ajouté le lock-in à notre montage et injecté une modulation sinusoïdale de fréquence 500 Hz, d’amplitude 50 mV, à notre tension de polarisation de balayage tunnel. La courbe spectroscopique est présentée Figure 4.10, montrant effectivement une discontinuité dans sa dérivée dI/dV (Figure 4.10) à l’énergie -450 mV environ7.

5. Avec G0= 2e

2

h ≈ 7, 748 × 10 −5_S.

6. Sur la Figure 4.9, le léger offset apparait en V = 0 V. Il est dû au réglage de la compensation des AOP qui n’avaient pas été correctement ajustée à l’époque. N’étant intéressés que par la valeur de la résistance de la jonction pointe-atome ici, la compensation n’avait pas été modifiée lors de cette expérience.

7. La boucle de contre-réaction lors de l’enregistrement doit avoir une fréquence d’acquisition plus grande que la fréquence de coupure du filtre du lock-in pour éviter la perte d’information du signal.

4.3. Mesures à deux pointes au LT-UHV-4 STM 53