La tête du microscope a été concue autour de la même philosophie, en respectant les contraintes imposées dès le début : La compatibilité avec le système Omicron est nécessaire pour autoriser des expériences croisées. La tête doit être compacte afin de pouvoir appliquer un fort champ magné-tique homogène. Elle doit être mécaniquement rigide pour éviter que le bruit mécanique entraîne une variation de la distance pointe-surface, et donc du courant, dans les mesures spectroscopiques. Enfin, elle doit autoriser une approche tout-automatique et une table XY. Cette dernière autorise, avec une précision de quelques dizaines de microns, un débattement de quelques millimètres à température ambiante. Ce dispositif est basé sur des moteurs inertiels, couramment utilisés pour l’approche grossière selon la direction Z. L’exposé de son principe de fonctionnement permettra d’appréhender son utilisation dans la tête du microscope.
4.2.1 Quelques mots sur le moteur inertiel
Les éléments piézoelectriques du moteur inertiel, assurant les mouve-ments grossiers, sont des empilemouve-ments de petits blocs de céramiques piézoe-lectriques (dits ‘stacks’) se déformant en cisaillement lors de l’application d’une différence de potentiel (figure 4.4). Fixés sur la coque du microscope, le réferentiel fixe, ils assurent le mouvement de la pièce mobile, en l’occurence en saphir.
Figure 4.3 – Vue extérieure et intérieure de la chambre STM. La vue exté-rieure montre le bras manipulateur, fixé sur la bride de gauche, ainsi que le soufflet, ici en position comprimée, abritant la canne cryogénique, monté sur la bride supérieure. La vue intérieure montre l’écran de cuivre protégeant le microscope contre le rayonnement lors du changement des échantillons et des pointes, ainsi que le carrousel de stockage et le cliveur.
Ces stacks piézoélectriques sont coiffés de patins en bronze de beryllium, au contact d’un élément mobile, ici en saphir poli. Le mouvement net de l’éle-ment mobile résulte de l’application d’une rampe de tension dissymétrique au stack piézoélectrique [97] [98]. Lors de l’application d’une rampe de tension ‘lente’, entrainant une accélération inférieure au seuil de frottement statique, le patin en bronze reste solidaire de l’élément mobile, tandis que l’élément piézoélectrique se déforme. Cette rampe est suivie par une rampe de tension ‘rapide’, l’accélération engendrée depasse le seuil de frottement, dans le sens opposé : l’élément mobile glisse sur le patin en bronze.
4.2.2 Le moteur Z et le moteur XY
Pour la réalisation du moteur z, l’élement mobile est un prisme en saphir à base triangulaire sur lequel le tube piezoelectrique des mouvements fins (x, y , z) est fixé. Ce prisme est au contact de 6 stacks piézoélectriques, groupés par deux. Deux de ces groupes sont fixés de façon rigide à la coque du STM en titane, tandis que le troisième est fixé sur une lame ressort en bronze de béryllium, à l’arrière du microscope. Du fait de la pression exercé par cette lame, une position désaxée, résultant d’une rotation du prisme dans le plan XY devient une position instable : Cet arrangement présente donc simultanement les avantages de la ‘rigidité’, sans demander d’être surajusté.
Figure4.4 – Illustration du fonctionnement des stacks piézoélectriques. (a) Stack au repos. (b), défomation de cisaillement sous l’application d’une dif-férence de potentiel
[Figure 4.5]
Le moteur XY constitue une des principales originalités de la tête de M3, qui a été décisif dans l’étude des petits cristaux des AM4X8. La pelle Omicron sur laquelle est fixée l’échantillon vient se loger dans une pièce en saphir ou elle est maintenue par six lames-ressorts en bronze de béryllium. Ces lames étant indépendantes électriquement, elles permettent d’envisager de coupler des mesures de microscopie tunnel et de transport. Au contact de cette pièce sont disposés six stacks piézoelectriques, en deux groupes de trois stacks, sur et sous la pièce, au sommet d’un triangle équilatéral [figure 4.5]. les déplacements en XY résultent de la composition des déformations de cisaillement selon les médianes de ce triangle, soit 3 axes à 120˚. Le dé-battement en XY obtenu ainsi est un carré de 2.75*2.75 mm à température ambiante.
4.2.3 le tube piézoélectrique
La question est maintenant de déterminer comment les mouvements selon les trois directions x, y, z sont possibles avec un unique tube piézoélectrique. Ce tube, muni de cinq électrodes, est représenté figure 4.6
Sur la face interne de ce cylindre est évaporée une électrode occupant toute la surface intérieure, tandis que sur la face externe sont évaporées quatre électrodes. Pour obtenir un déplacement selon x, il suffit d’appliquer une difference de potentiel 𝑉𝑥 entre les électrodes x et -x. Le processus est identique pour obtenir un déplacement selon -x, y, -y. Les coefficients pié-zoélectriques sont de l’ordre de 20nm/V pour les déplacements en XY et de 100Å /V pour les déplacements selon Z à température ambiante. Le tube piézoélectrique assure les mouvements fins.
Approche intermédiaire
L’extension maximale en 𝑧 de ce tube n’est que de l’ordre de quelques mi-crons, inférieure d’un ordre de grandeur à la précision que permet l’approche visuelle grossière, utilisant uniquement le moteur z. L’approche intermédiaire utilise donc simultanément le moteur z et l’extension du tube piézoélectrique. Une fois une valeur de tension tunnel et de courant de consigne fixé, une
Figure 4.5 – Vue et schéma de principe de la tête STM. Le tube piézoélec-trique, numéroté ((1)) est visible sur les deux images. Quatre des six stacks piézoélectriques du moteur XY sont visibles sur la photographie, numérotés ((4)), sur le schéma. La coque en titane, enlevée sur le schéma, laissant voir les stacks piézoélectriques du moteur Z (2) ainsi que le prisme en saphir (3). rampe de tension est appliquée au tube piézoélectrique. Si la jonction tunnel n’est pas établie, le tube est rétracté, le moteur inertiel avance d’un pas et le cycle recommence. Si un courant tunnel supérieur à la valeur de consigne est détecté durant l’extension du tube piézoélectrique, le tube piézoélectrique est rétracté et l’approche intermédiaire est achevée. Afin d’éviter le contact mécanique de la pointe avec la surface lors de cette approche, il importe que le pas du moteur inertiel soit inférieur à l’extension du tube piézoélectrique.