Spectroscopie locale de nanostructures supraconductrices par microscopie combinée AFM-STM à très basse température

Combined Scanning Force Microscopy and Scanning tunneling spectroscopy of an electronic nanocircuit at very low temperature

• Auteur / Autrice : Julien Senzier
• Direction : Hervé Courtois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrons -- Distribution

Microscopie à force atomique

Microscopie tunnel à balayage

Mots clés libres

Microscope versatile

Microscope à très basse température

Nanocircuits supraconducteurs polarisables

Densité locale d'états électroniques (LDOS) , Mesure

Microscope , Sonde , Diapason en quartz

Résumé

Nous avons développé un microscope versatile combinant microscopie de force (AFM) et microscopie à effet tunnel (STM) à très basse température. Ce microscope permet d’étudier la densité locale d’états électroniques (LDOS) sur des nanocircuits supraconducteurs polarisables en courant. La sonde du microscope est basée sur un diapason en quartz qui permet une détection entièrement électrique des interactions pointe-surface en mode AFM et qui hors résonance propose la rigidité nécessaire à la stabilité de la jonction tunnel en mode STM. Le diapason est bien adapté à un environnement cryogénique, dissipant une énergie inférieure à 1 nW. Notre microscope atteint en mode AFM la résolution atomique selon l’axe vertical et autorise en mode STM des jonctions tunnels de consigne Rtunnel < 10 MOhms Nous avons développé un procédé de nanofabrication pour mettre au point des fils supraconducteurs de niobium (Nb) ayant pour section 10 x 300 nm2. Ce procédé permet d’obtenir une surface de Nb avec une rugosité subnanométrique. Nous décrivons également la fabrication des pointes que nous collons sur les diapasons pour en faire des sondes. Les LDOS mesurées à T=00 mK sur les fils de Nb sont comparées à la théorie BCS prenant en compte une énergie relative au processus inélastique, appelée paramètre de Dynes. Nos mesures sont en très bon accord avec ce modèle, en prenant en compte une température électronique effective supérieure à la température du cryostat. Enfin nous mesurons la LDOS sur un fil de Nb polarisé en courant qui démontrent la faisabilité des mesures de supraconductivité hors-équilibre par STM

We have developed a combined microscope Atomic Force Microscope (AFM) / Scanning Tunneling Microscope (STM) at very low temperature. This microscope allows the study of the electronic Local Density Of States (LDOS) on current biased nanocircuits. We have developed a nanofabrication process to obtain superconducting wires of niobium (Nb) with 10×300 nm2 section. This process gives on Nb a subnanometric surface roughness. We describe also the method of tip's fabrication which are glued on a tuning fork to make a probe. Using a quartz tuning fork as probe for the microscope allows a fully electrical detection in AFM mode and provides the required rigidity in spectroscopic mode. The tuning fork is well adapted to cryogenic environment dissipating a power less than 1nW. Our microscope features atomic resolution in the vertical direction and stable tunnel junction RT < 10MOhms. LDOS measured at T = 100mK on a Nb wire are compared with the BCS theory taking into account a Dynes parameter, corresponding to inelastic collisions. Our measurements fit very well this model with an observed minimum electronic's effective temperature above the cryostat temperature. Finally, we measured LDOS of biased wires to demonstrate the possibility of this kind of measurements out of equilibrium superconducting systems by STM