Mesures STM

Des mesures de la valeur du gap supraconducteur ont ´et´e r´ealis´ees par F.Dahlem, dans le groupe

de H.Courtois, `a l’Institut N´eel, en 2009. Les r´esultats sont rapport´es dans [48]. L’ensemble des

´echan-tillons mesur´es sont rappel´es dans tableau 3. Leur Tc a d´etermin´ee par des mesures de r´esistivit´e au

PPMS, et ∆ T

donne la largeur de la transition, c’est `a dire la diff´erence entre la T

et la temp´erature

telle que la r´esistivit´e soit nulle.

Echantillon Nombre de Epaisseur T

∆ T

(ns) coups laser (nm) (mK) (mK)

A1 200 30 350 80

B(1,2,3) 500 130 510 40

C1 400 80 490 20

Tab. 3: Echantillons mesur´es au STM

Fig. 45: En bas : conductances diff´erentielles normalis´ees dI/dV de contacts tunnel sur l’´echantillon

de Si :B B1, la temp´erature de l’´echantillon est de 110mK `a deux positions a et b distantes de 1µm.

La ligne en pointill´es est un ajustement BCS. En haut : variation dans les spectres dI/dV `a diff´erentes

temp´eratures d’´echantillon, allant de bas en haut de 100, 350, 425, 440, 460 et 550mK sur le mˆeme

´echantillon en position a.

Fig. 46:Axe de gauche : variation de l’´energie du gap supraconducteur en fonction de la temp´erature

de l’´echantillon, pour trois positions sur l’´echantillon B3. Les positions 1 et 2 sont distantes de 15nm,

et la position 3 est `a 100nm. La ligne continue est un ajustement `a la th´eorie BCS. Axe de droite :

r´esistance ´electrique du mˆeme ´echantillon en ligne pointill´ee en fonction de la temp´erature, mettant

en ´evidence une transition supraconductrice macroscopique avec une T

=510mK.

Fig. 47:D´ependance de la valeur du gap extrapol´ee `a temp´erature nulle en fonction de la T

pour les

5 ´echantillons mesur´es.

D’apr`es les Tc mesur´ees, et les pr´edictions de la th´eorie BCS donn´ees par ∆

= 1.76k

T

, o`u

∆(0) est la valeur de l’´energie du gap supraconducteur `a T=0, les valeurs du gap supraconducteur

attendues sont de l’ordre du meV. Il est donc n´ecessaire d’avoir une r´esolution en ´energie inf´erieure `a

cette valeur pour pouvoir distinguer le gap. Les mesures de STM ont donc ´et´e r´ealis´ees en dilution,

o`u une temp´erature de l’´echantillon de l’ordre de 300mK donne une r´esolution en ´energie de l’ordre

de : 2k

T(300mK)≈ 50µ eV. Une temp´erature effective est d´efinie, sup´erieure `a la temp´erature de

base de la dilution, et qui prend en compte diff´erents effets tels que l’´energie apport´ee localement

dans l’´echantillon par l’injection d’´electrons hors ´equilibre, du bruit ´electromagn´etique (rayonnement

de corps noir), ou d’un couplage ´electron-phonon faible.

Ces mesures de gap/de spectroscopie au STM consistent `a mesurer les caract´eristiques I(V) et la

conductance diff´erentielle dI/dV d’un courant ´etabli entre une pointe STM et un ´echantillon `a

carac-t´eriser, port´es `a une diff´erence de potentiel V. Ici, la pointe utilis´ee est m´etallique et plac´ee `a distance

fixe de l’´echantillon. La tension de biais est appliqu´ee et le courant tunnel mesur´e. La d´eriv´ee

num´e-rique donne la conductance diff´erentielle dI/dV. De mˆeme, la mesure en ac `a fr´equence de 2kHz et

excitation de 15µV permet de mesurer directement conductance diff´erentielle. La d´eriv´ee num´erique

de la caract´eristique I(V) et la mesure directe de dI/dV donnent des r´esultats similaires.

57

En figure 45, les courbes du bas repr´esentent la conductance diff´erentielle dI/dV en fonction de la

tension de biais pour l’´echantillon B1. Les mesures ont ´et´e r´ealis´ees en deux positions, a et b, distantes

d’environ 1µm. Cette distance est plus grande que la longueur de corr´elation (3nm) estim´ee dans [28].

Le fit BCS est repr´esent´e en pointill´es. On observe deux pics de coh´erence `a |V|=0.13mV, aux deux

positions mesur´ees. La couche de Si :B semble donc ˆetre plutˆot homog`ene. Les courbes du haut de la

figure 45 montrent les spectres obtenus en position a, en fonction de la temp´erature vari´ee de 110mK

`

a 530mK. Ces courbes permettent d’obtenir ∆(T)

En figure 46, les valeurs de gap mesur´ees en fonction de la temp´erature, pour plusieurs positions, sont

report´ees, avec en ligne continue un fit BCS ^∆(T)

∆(0) ≈1.74(1−_T^T

c

)

en bon accord avec les donn´ees

exp´erimentales.

Enfin en figure 47, pour l’ensemble des ´echantillons mesur´es, les valeurs de gap extrapol´ees `a

temp´e-rature nulle sont report´ees en fonction des T

. La ligne continue montre le fit BCS ^∆(0)

k

T

= 1.76, et les

lignes de tiret´es les d´eviations `a±20%. Pour les symboles pleins, les T

sont d´eduites des mesures de

spectroscopie. Pour les symboles creux, les T

sont mesur´ees par r´esistivit´e. Pour les ´echantillons B1 et

C1, les donn´ees repr´esent´ees par des cercles et triangles sont mesur´ees `a des distances macroscopiques,

c’est `a dire lors de runs diff´erents. Les donn´ees triangle de l’´echantillon B2 ont ´et´e mesur´ees `a 0.5µm

d’´ecart, et enfin les carr´es repr´esentent les donn´ees de la figure 46. Les donn´ees exp´erimentales avec

leurs barres d’erreur sont en bon accord avec le fit BCS. Sur un ´echantillon, il y a au maximum±10%

de variation du valeur du gap, mˆeme variation `a plus ou moins grande ´echelle. Notons cependant

l’exis-tence de valeurs inf´erieures `a la valeur du gap donn´ee par BCS, ce qui est th´eoriquement impossible

dans un cadre BCS strict d’un supraconducteur classique avec un seul gap.

L’ensemble des mesures r´ealis´ees : l’allure des conductances diff´erentielles, l’´evolution de la valeur

du gap en fonction de la temp´erature et la valeur du gap `a temp´erature nulle en fonction de la

tem-p´erature critique, sur diff´erents ´echantillons, en diff´erents endroits et `a diff´erents moments, montrent

un bon accord avec un supraconducteur de type BCS en couplage faible.

Les premiers ´echantillons supraconducteurs ont donc un couplage de type faible, avec une valeur

de gap en accord avec BCS, et deux param`etres ont ´et´e identifi´es pour influencer la supraconductivit´e

de Si :B : la concentration en bore, et l’´epaisseur des couches.

Afin de d´eterminer ind´ependamment l’influence de chaque param`etre, nous nous sommes focalis´es

dans un premier temps sur des couches de 47ns ”stabilis´ees” (`a densit´e d’´energie laser ajust´ee pour

garder un temps de fusion constant au cours des pulses laser) pour ´etudier plus finement le rˆole de

la concentration en bore, en particulier la concentration critique d’apparition de la supraconductivit´e.

Dans un deuxi`eme temps, des s´eries de couches GILD ”stabilis´ees” `a ´epaisseur variables ont ´et´e r´ealis´ees

pour ´etudier l’influence de l’´epaisseur sur la supraconductivit´e.