Montage exp´ erimental du Cryostat Janis

La figure 2.6 montre un sch´ema du cryostat Janis utilis´e pour les mesures pr´ elimi-naires `a 1.4K. L’´echantillon est fix´e sur le porte-´echantillon, face vers le sol, au bout d’une tige de m´etal. Une vis de positionnement permet d’orienter l’´echantillon dans le champ magn´etique produit par un aimant supraconducteur qui baigne dans l’h´elium liquide (rotation dans le plan horizontal et position verticale). L’aimant produit des champs ma-gn´etiques maximaux de 8 T orient´es selon l’axe vertical. Le porte-´echantillon est branch´e

`

a vingt-quatre lignes en courant direct (DC) ancr´ees thermiquement au support circu-laire de cuivre. Les lignes DC sont reli´ees au sommet de la tige `a un connecteur qui lui est connect´e aux appareils de mesure. Des d´eflecteurs de rayonnement plac´es sur la tige m´etallique prot`egent l’´echantillon des radiations thermiques provenant du sommet du cryostat. La tige est entour´ee d’un tube (tube de l’´echantillon) qui baigne dans l’h´elium liquide. Un tube de Bore, reli´e par une valve pointeau au bain d’h´elium, permet d’injec-ter de l’He⁴ dans le tube de l’´echantillon. Un ´el´ement chauffant, le vaporiseur, vaporise cet h´elium. Puisque le tube est toujours gard´e sous vide via une pompe connect´ee `a la ligne de pompage, le gaz inject´e est refroidi. Selon le d´ebit d’injection, il est possible de refroidir l’´echantillon jusqu’`a une temp´erature minimale de ≈1.4 K. Un ´el´ement chauf-fant est plac´e juste au-dessus de l’´echantillon pour ajuster sa temp´erature jusqu’`a 300 K.

Deux chambres d’isolation laiss´ees sous vide assurent l’isolation thermique entre le tube de l’´echantillon et le bain d’h´elium, ainsi qu’entre ce dernier et le bain d’azote liquide.

Chapitre 2 : Aspects exp´erimentaux 33

Tube d'isolation

Valve pointeau

Tube de Bore

Vaporiseur Aimant

supraconducteur Valve d'évacuation

Ligne de pompage

Vis d'ouverture de la valve pointeau

Valve de sureté

Déflecteur de rayonnement

Vis de positionnement de l'échantillon

Porte échantillon

Connecteur

Élément chauffant Réservoir d'azote liquide

Réservoir d'hélium liquide

Enveloppe externe Tube d'isolation Chambre de l'échantillon

Vide intersticiel

Figure 2.6 – Figure tir´ee du guide de l’utilisation du cryostat Janis. Sch´ema en coupe des composantes principales .

Chapitre 2 : Aspects exp´erimentaux 34 Le bain d’azote liquide est utilis´e pour filtrer les radiations thermiques jusqu’`a 77 K.

Le cryostat au complet est plac´e sur une table anti-vibration qui d´ecouple le syst`eme du reste du bˆatiment, ce qui diminue le bruit dans les mesures.

Les mesures pr´eliminaires sont effectu´ees avec des unit´es mesure-source, UMS (figure 2.7). Les UMS peuvent appliquer des tensions et mesurer des courants ou vice-versa.

La gestion des param`etres de source et de mesure est contrˆol´ee par un module central pouvant contenir jusqu’`a huit UMS. Dans les exp´eriences, seulement quatre UMS sont utilis´ees. La pr´ecision de l’appareil est de ≈100 fA pour la mesure des courants et de

≈1 µV pour les tensions. Les mesures typiques consistent `a appliquer une diff´erence de potentiel (DC) entre deux contacts ohmiques du GE2D et de mesurer la variation du courant en fonction de la tension appliqu´ee sur les grilles (figure 2.7). Il est aussi possible d’effectuer des mesures `a quatre terminaux en utilisant quatre UMS au lieu de deux.

Les UMS limitent le courant et la tension appliqu´es sur les grilles et dans le GE2D de fa¸con `a prot´eger les dispositifs. Ainsi, on s’assure que le courant de fuite entre le GE2D et les grilles n’exc`ede jamais 1 nA. Des r´esistances internes aux UMS de∼1MΩ sont aussi plac´ees en s´erie avec les grilles afin de r´eduire le courant de fuite de celles-ci. Des courants de fuite de grille de l’ordre de 100 fA `a 1 pA sont g´en´eralement mesur´es.

Les entr´ees/sorties du module central sont branch´ees `a une boˆıte de connexion. La boˆıte contient des filtres Pi constitu´es de deux capacit´es reli´ees `a la masse ainsi que d’une inductance (figure 2.7). Ces filtres att´enuent les hautes fr´equences dans les lignes DC offrant une protection suppl´ementaire aux fines grilles tout en augmentant le rapport signal sur bruit dans les mesures de courant.

Une source de courant est utilis´ee pour balayer le champ magn´etique de la bobine supraconductrice entre -8 et 8 T. L’´etude des propri´et´es du GE2D par effet Hall a ´et´e r´ealis´ee avec cette bobine (chapitre 5).

Bien que la majorit´e des mesures soient effectu´ees `a 1.4 K, un contrˆoleur permet d’ajuster la temp´erature de l’´echantillon jusqu’`a 300K. Les variations en temp´erature sont surtout utilis´ees pour v´erifier le comportement des contacts ohmiques.

Chapitre 2 : Aspects exp´erimentaux 35

200 nm

UMS 1

UMS 2

UMS 3

UMS 4

Pi Pi Pi

PC GPIB

300K

300 - 1.4K

1.4K Unité

centrale

Boîte de

connexion } ^Pi

X12 X24

Ω1 M

Figure2.7 – Sch´ema typique pour les mesures pr´eliminaires. L’unit´e centrale est contrˆ o-l´ee par ordinateur via un protocole de communication GPIB. Quatre UMS permettent de sonder les propri´et´es ´electriques de l’´echantillon. Des filtres Pi dans la boˆıte de connexion sont ajout´es pour att´enuer les hautes fr´equences. En rouge, les lignes DC connectant les grilles de l’´echantillon pour lesquelles des r´esistances de 1 MΩ sont ajout´ees en s´erie dans les UMS. En bleu, les lignes connectant les contacts ohmiques (⊠) dans lesquels on applique et mesure le courant. L’image est une micrographie par MEB d’un dispositif de DBQ avec des grilles d’aluminium.

Chapitre 2 : Aspects exp´erimentaux 36