Pour effectuer le spectre de la lumi`ere ´emise par une jonction tunnel `a l’interface liquide–solide, nous avons mis au point le dispositif repr´esent´e fig.5.1. La lumi`ere collect´ee par un objectif de microscope (M) est d´evi´ee par un prisme et focalis´ee sur une barrette CCD (Andor, DU401-BR-DD) refroidie `a -70 ◦
barette CCD objectif de microscope prisme échantillon pointe
barrette
CCD
objectif de
microscope
prisme
STM
Fig.5.1 – En haut : photo du dispositif de mesure des spectres d’´emission. En bas : sch´ema ´equivalent. La lumi`ere ´emise au niveau de la jonction est collect´ee par un objectif de microscope, dispers´ee par un prisme et arrive sur une barrette CCD.
Constante Indice seuil hauteur de Milieu di´electrique optique d’´emission barri`ere
(ω = 0)[54] [54]a (V) apparente (eV) ph´enyloctane 2,26 1,49 entre 1,2V et 1,3V 0,6 perfluorooctane 1,76b 1,28 0,9 t´etrad´ecane 2,03 1,43 1,1 dod´ecan-4-ol ≈ 4c 1,44d 1,3 UHV 1 1 3,0
Tab.5.1 – Caract´eristiques des liquides ´etudi´es et r´esultats exp´erimentaux.
a
pour la raie D du Na (λ = 589 nm)
b
valeur tabul´ee pour le perfluorohexane
c
estimation d’apr`es les valeurs tabul´ees pour la s´erie des d´ecanols figurant dans le Handbook
d
valeur tabul´ee pour le dod´ecan-1-ol
Le choix de ce dispositif, fondamentalement diff´erent de ceux utilis´es par la plupart des autres groupes travaillant sur ce sujet [36, 55, 56, 57] r´epond `a un imp´eratif majeur : collecter le plus de lumi`ere possible. En effet, notre but ´etant de travailler sur des mol´ecules `a temp´erature ambiante, il sera difficile d’acqu´erir des spectres `a fort courant et `a faible vitesse de balayage et donc les taux de comptage par pixel seront probablement faibles. Nous avons donc pr´ef´er´e un spectrom`etre `a prisme, intrins`equement plus lumineux que les dispositifs `a r´eseaux.
Cependant, ce genre de dispositifs pr´esente des inconv´enients bien connus : en parti- culier une r´esolution moindre et une dispersion non lin´eaire. Nous avons v´erifi´e que, pour l’usage particulier que nous en faisons, ce syst`eme est malgr´e tout bien adapt´e.
D’ores et d´ej`a, nous ´evitons tout risque de recouvrement d’ordre dˆu au r´eseau et auquel nous aurions probablement ´et´e confront´es, vu la largeur de la gamme spectrale sur laquelle s’effectue l’enregistrement du spectre de la lumi`ere ´emise par la jonction.
100 80 60 40 20 0 efficacité quantique (%) 1200 1000 800 600 longueur d'onde (nm)
Fig. 5.2 – R´eponse spectrale de la barrette CCD : en noir, courbe fournie par le construc- teur (ANDOR) extrapol´ee au del`a de 950 nm ; N courbe mesur´ee par nos soins.
5.2.1
Caract´eristiques de la barrette CCD
Nous avons opt´e pour une barrette CCD dont la sensibilit´e est ´etendue dans l’infra- rouge et avons v´erifi´e que nous enregistrions un signal jusqu’`a 1150 nm.
Le fournisseur nous a donn´e l’efficacit´e quantique jusqu’`a 1000 nm. Nous avons nous– mˆeme estim´e la r´eponse du d´etecteur jusqu’`a 1150 nm en op´erant de la mani`ere suivante : nous avons plac´e une extr´emit´e d’une fibre optique `a l’endroit de la jonction tunnel et l’autre `a la sortie d’un monochromateur ´eclair´e `a l’entr´ee par une lampe blanche et nous avons enregistr´e l’intensit´e totale d´etect´ee sur la barrette CCD pour des longueurs d’onde allant de 570 nm `a 1160 nm. Pour estimer le spectre de la lumi`ere ´emise par la lampe, nous avons effectu´e la mˆeme s´erie de mesures avec la photodiode `a avalanche dont nous connaissons la sensibilit´e.
Dans la plage 600-1000 nm, l’efficacit´e quantique que nous avons mesur´ee est tr`es proche de celle fournie par le constructeur (cf. fig.5.2), ce qui valide notre m´ethode. Nous avons ensuite extrapol´e la courbe du constructeur au del`a de 950 nm pour obtenir l’effi-
Fig. 5.3 – Donn´ees brutes obtenues de l’image d’une fibre 25/125 ´eclair´ee avec un laser He/Ne (40 × 40 pixels). Le speckle est responsable de la non uniformit´e de l’image.
cacit´e quantique sur toute la plage o`u le d´etecteur est r´eellement sensible.
5.2.2
R´esolution du spectrom`etre
Pour ce dispositif particulier, un objectif de microscope, malgr´e son ouverture rela- tivement faible, a ´et´e pr´ef´er´e `a la lentille jusque l`a utilis´ee pour collecter la lumi`ere (cf. fig.3.6, p.59). En effet, il forme une meilleure image de la jonction sur la barrette CCD. Ce point est d’une importance particuli`ere car la taille de l’image, c’est `a dire notre capacit´e `a bien focaliser la lumi`ere pr´ecis´ement sur le d´etecteur, est une condition n´ecessaire pour ne pas mettre de fente d’entr´ee et va d´eterminer la r´esolution spectrale de l’appareil.
Nous avons v´erifi´e, en pla¸cant une fibre optique `a l’endroit de la jonction tunnel et en faisant son image sur la barrette CCD pour diff´erentes longueurs d’onde, les conditions d’imagerie :
• le syst`eme ne pr´esente pas d’astigmatisme : l’image de la fibre est circulaire (cf. fig.5.3).
• la position de l’objectif de microscope pour laquelle la focalisation est optimale est ind´ependante de la longueur d’onde.
focaliser la lumi`ere ´emise par la jonction tunnel sur 3×3 pixels. Cette observation confirme, si cela ´etait n´ecessaire, que l’on peut consid´erer la jonction comme une source ponctuelle. On n’a donc pas besoin de rajouter une fente d’entr´ee et donc on ´evite d’importantes pertes de lumi`ere.
Ainsi, on atteint une r´esolution spectrale d’environ 30 nm dans l’infrarouge et 5 nm `a 600 nm.
La non lin´earit´e de la dispersion nous permet en outre d’avoir une sensibilit´e accrue dans l’infrarouge (cf. annexe C), au d´etriment de la r´esolution. En effet, la sensibilit´e de la barrette CCD d´ecroˆıt fortement au del`a de 900 nm, mais comme on disperse moins, on conserve un signal exploitable jusqu’`a 1100 nm environ, bien que l’efficacit´e quantique soit alors `a peine de 20 %.
5.2.3
Fraction de lumi`ere collect´ee
L’objectif de microscope a un diam`etre d’entr´ee de 2 mm. Il est plac´e `a ∼ 4 mm de la jonction et inclin´e `a ∼ 30 ◦
dans la direction o`u le maximum de lumi`ere est ´emis. Si on suppose que l’´emission est isotrope et que toute la lumi`ere qui entre dans l’objectif de microscope en sort, on peut estimer `a ∼ 7 % la proportion de lumi`ere collect´ee. C’est bien sup´erieur aux montages des autres groupes (de quelques 0,01 % `a < 1 %), et dˆu au choix du prisme, et `a l’absence de fibre optique pour amener le signal sur le d´etecteur. Par contre, la r´esolution est inf´erieure.
5.2.4
Traitement des donn´ees brutes
Pour obtenir le spectre r´eel de la lumi`ere ´emise, nous devons appliquer plusieurs ´etapes de correction des donn´ees brutes :
• du fait de la dispersion en longueur d’onde non lin´eaire du prisme, il faut corriger l’intensit´e collect´ee sur chaque pixel de la gamme spectrale qu’il repr´esente.
courant ( nA) photons (cps) tension (V) 4 2 0 -2 -4 104 103 102 -2 -1 0 1
Fig. 5.4 – Spectroscopie It(V ) et N (V ) pour une jonction Au(111)/Au dans du perfluo- rooctane.
sur la gamme spectrale consid´er´ee.