Régulation sur le courant tunnel 1 STM statique

En poursuivant notre investigation en STM statique, avec le même échantillon et la même pointe de tungstène, on trouve des clusters d’or avec des hauteurs de l’ordre de 2 à 3 Å , pour des diamètres d’environ 2 nm dans le plan comme le montre la vue générale de la figure 6.6. On retrouve cette cohabitation de petits clusters d’Au de 2 nm d’une ou deux épaisseurs atomiques avec des gros clusters facettés de 10 nm pour des hauteur de 3 à 4 nm dans l’étude expérimentale et théorique de U. Becker et al. [BRW+_{03] sur}

la croissance des métaux nobles sur la molybdénite. Leurs images expérimentales de la croissance d’îlots d’or sur MoS2 sont similaires aux images présentées dans ce chapitre.

On notera dans l’agrandissement d’un de ces petits îlots sur la figure 6.6, la présence de deux molécules d’octanedithiol (ellipses vertes) liées sur les bords de ce cluster. Dans

cette étude, nous avons toujours décelé la présence des alcanedithiols uniquement sur les bords des îlots d’or. En remarquant, sur les images topographiques, des trainées claires sur certains lobes, on peut penser que la pointe perturbe la molécule malgré les faibles consignes en courant tunnel utilisées. L’objectif de connecter une molécule isolée sur une électrode métallique d’une épaisseur atomique est donc atteint.

FIG. 6.6 –Image STM (pointe en tungstène) après le dépôt moléculaire sur le système : It =25 pA, Vt=+2 Volts.

Etant donné le caractère conducteur des pointes AFM utilisées ici, nous avons réitéré l’imagerie STM statique (i.e. la pointe n’oscille pas) avec ces pointes sur ce même sys- tème. Ainsi, la figure 6.7 nous montre le type d’image obtenue en topographie. L’échelle des gris de l’image a été ajustée pour faire apparaître les petits îlots d’or. Les gros clus- ters, haut d’environ 4 nm, apparaissent donc en blanc à cause d’un effet de saturation des couleurs. On reconnaît leur forme en triangle tronqué ou hexagonale.

Un gros plan de cette image nous donne une idée des dimensions de ces petits ilôts d’or. On retrouve des dimensions comparables à celles de l’îlot de la figure 6.6. Toujours dans la référence [BRW+_{03], des simulations numériques montrent que la configuration}

la plus stable de ces petits îlots à une couche atomique, sur la molybdénite, correspond à un aggrégat de 37 atomes avec un diamètre de 7 atomes. Soit un diamètre d’environ 1.9 nm sur la surface. Cela explique la distribution uniforme en taille de ces petits îlots sur la surface.

6.2.2 STM oscillant

Pour nous rapprocher des conditions d’observations en AFM dynamique souhaitées, nous conservons la régulation sur le courant tunnel avec la pointe AFM en la faisant osciller à sa fréquence de résonance f0=261502 Hz à une amplitude A fixée par le circuit

de régulation d’amplitude (AGC) vue au chapitre 4. Le facteur de qualité Qcdu résonateur

à été mesuré à 39830. Notons que le courant tunnel mesuré par le préamplificateur, étant donné sa faible bande passante, sera une moyenne sur une période d’oscillation. Dans nos conditions expérimentales, les pics de courant tunnel périodique seront environ 25 fois plus importants que la valeur moyennée. La distance bout de pointe-surface minimale est donc beaucoup plus petite que dans la configuration STM statique précédente. On trouvera plus de détails sur ce procédé de microscopie à effet tunnel oscillant dans l’annexe D.

Ainsi, dans ce mode STM oscillant, déjà utilisé par [GBL+_{98, LGP}+_{03, OAO03], on}

obtient, comme on le voit sur les figures 6.8, toujours l’image en topographie (a) avec deux nouvelles informations : une image en écart en fréquence ∆ f (b), par rapport à la fréquence de résonance libre f0 du cantilever, mesuré par le démodulateur (voir section

4.1.4 au chapitre 4 page 74), et une image en “dissipation” (c) du signal d’erreur de la boucle de l’AGC pour maintenir l’amplitude d’oscillation A constante.

FIG. 6.8 –Image STM oscillant après le dépôt moléculaire sur le système : It =20 pA, Vt =-1 Volt, A =3.5 nm. (a) image en topographie, (b) image en ∆ f , (c) image en dissipation.

Les figures 6.9 montrent une autre zone imagée à plus petite échelle avec les mêmes paramètres que les figures 6.8. On retrouve bien les tailles des petits îlots d’or sur les images en topographie (a) avec l’apparition d’une zone noire autour des clusters où la pointe s’approche plus près de la surface pour trouver un courant tunnel correspondant à la consigne. La polarisation de la pointe est négative et la surface à la masse électrique. On peut interpréter ces zones noires comme des zones de déplétion électronique [BRW+_03].

En effet, il a été montré [Mau03, MCAB03, CCA+_{02] que les ilôts d’or posés sur la sur-}

face semiconductrice de MoS2forment des barrières de Shottky. Les images (b) en écart

en fréquence ∆ f , acquises en parallèle, présentent aussi ces zones noires autour des petits îlots mais cette fois elles correspondent à des forces d’attraction pointe-surface beaucoup plus intenses. En effet, étant donnée la distance pointe-surface plus petite dans les zones de dépletion électronique, la force d’interaction ainsi que le gradient de cette force entre la sonde et la surface en sont d’autant plus grands. Les images en dissipation (c) présentent un contraste inversé autour des petits îlots : le signal d’entretien de l’amplitude d’oscil- lation est plus intense qu’ailleurs sur l’image. Là aussi la proximité de surface dans les zones de déplétion pourrait en être à l’origine. En effet le signal de dissipation est for- tement dépendant de la distance pointe-surface comme nous l’avons montré au chapitre 5.

Notons que ces halos noirs ne sont pas visibles autour des gros ilôts d’or. Nous pen- sons qu’un effet de convolution de pointe, que nous démontrerons au cours du paragraphe 6.5, empêche l’exploration de la zone de déplétion électronique pour les gros clusters.

De plus, comme on le voit sur le profil du signal d’entretien de l’oscillation de l’image 6.9(c), pour des distances tunnels que nous pensons équivalentes sur les ilôts d’or et sur la surface de MoS2, le niveau moyen de dissipation est plus bas sur le métal d’environ 20

meV/cycle.

FIG. 6.9 –Image STM oscillant après le dépôt moléculaire sur le système : It =20 pA, Vt =-1 Volt, A =3.5 nm. (a) image en topographie, (b) image en ∆ f , (c) image en dissipation.

Un autre effet remarquable apparaît quand on change la tension de polarisationVtentre

la pointe et la surface. Les figures 6.10, acquises simultanément, montre une disparition, sur les quatres images, des petits îlots d’or quand la polarisation passe de -1 Volt à - 2 Volts. La flèche verte indique le changement de polarisation. Cet effet est réversible, il n’est donc pas dû à une instabilité incontrôlée de l’apex de la pointe dont nous montrerons des exemples dans les prochains paragraphes. L’origine de ce phénomène est peut être

polarisation.

FIG. 6.10 –Image STM oscillant après le dépôt moléculaire sur le système : It =22 pA, Vt =-1 Volt au dessus de la flèche verte, Vt =-2 Volts au dessous de la flèche verte, A =3.5 nm. Images en topographie (a) balayage rapide vers la droite (b) balayage rapide vers la gauche, (c) image en dissipation, (d) image en ∆ f

Nous avons pu mettre en évidence, sur les figures 6.11, la présence probable de molé- cules piégées entre de petits îlots d’or.

FIG. 6.11 – Image STM oscillant après le dépôt moléculaire sur le système : It =25 pA, Vt = -1 Volt, A =3.5 nm. (a) image en dissipation avec l’agrandissement (a’), (b) image en ∆ f avec l’agrandissement (b’), (c) image en topographie. Flèches vertes : localisation de molécules

En effet, leur taille est bien dessous de la configuration stable des petits ilôts d’or [BRW+_{03] et s’apparente à celle du modèle de la molécule (figure 6.4) bien que l’on ait}

du mal à discerner deux lobes comme précédemment. On les distingue (flèches vertes) sur les images (b) et (b’) en ∆ f et en topographie (c). On constate, à contrario des îlots d’or, qu’elles se trouvent dans des zones où le signal de dissipation reste élevé (images (a) et

(a’)). Elles créent aussi une zone de déplétion électronique [BS98] comme on peut aussi le constater sur l’agrandissement de la figure 6.6.

Remarque

Au cours de ces mesures en STM oscillant avec une pointe AFM, nous avons constaté des changements de résolution de l’image incontrôlés. L’image en dissipation 6.12 en montre un exemple.

FIG. 6.12 –Image en dissipation en mode STM oscillant : It=20 pA, Vt=-1.9 Volt, A =9.0 nm. On constate un saut en dissipation vraisemblablement dû à une évolution soudaine de l’apex.

On voit, en milieu d’image, un changement de l’aspect des gros clusters avec un saut dans le signal d’entretien de l’oscillation de l’ordre de 280 meV. Ces évolutions de la résolution sont dues à des instabilités de l’apex de la pointe. C. Barth et al. présentent de telles instabilités de pointe sur les images en dissipation pages 113-120 de [MWM03] sur une surface de CaF2, C. Loppacher et al. [LBP+00] montrent de tels phénomènes sur

une surface de Si(111)7x7. Des aggrégats d’or s’accrochant ou se décrochant de l’apex de la pointe sont soupçonnés de provoquer ces instabilités. Nous verrons au prochain paragraphe que ce phénomène peut avoir un effet bénéfique pour améliorer la résolution des images.