De l'amplification paramétrique en microscopie a force électrique a la microscopie a grille locale d'anneaux quantiques

par Frederico Martins

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Serge Huant et de Joël Chevrier.

Soutenue en 2008

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble) .

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  • Résumé

    La réduction de taille des dispositifs électroniques apporte de nouvelles exigences scientifiques et techniques. De nouveaux phénomènes apparaissent aux petites échelles et, par ailleurs, l’exploration des propriétés électroniques à l’échelle locale nécessite le développement d’instruments adaptés. Ces deux demandes sont devenues cruciales pour le développement de la « nano-électronique ». L’objectif de cette thèse est double : augmenter la sensibilité de détection de charges déposées sur des surfaces et l’imagerie dans l’espace réel des fonctions d’onde électroniques dans des nano-dispositifs enterrés sous la surface libre. Pour atteindre ces objectifs, nous avons conçu un microscope à force atomique (AFM) idoine. Ce microscope est décrit dans le premier chapitre de ce mémoire. Dans un deuxième chapitre, nous décrivons une méthode d’amplification paramétrique pour augmenter la sensibilité de détection de charges déposées sur une surface. Le mouvement du micro-levier AFM est déterminé analytiquement et est confirmé tant par une approche numérique que par l’expérience. Nous concluons qu’avec notre méthode, la limite de bruit thermique peut être dépassée. Dans le même chapitre, nous faisons une remarque sur une variante très répandue de la microscopie à force électrique (EFM) : la microscopie à force de Kelvin (KFM). Nous montrons que, même si elle n’est pas volontairement provoquée, l’amplification paramétrique du mouvement du micro-levier est toujours présente et qu’elle peut notablement modifier la résolution du microscope telle qu’anticipée à travers les approches usuelles. Dans le dernier chapitre, nous nous intéressons au transport électronique dans des systèmes mésoscopiques fabriqués à partir de gaz électroniques 2D. Traditionnellement, l’étude de ce transport est appréhendée par des mesures de conductance à 4 points en fonction de la température. Cette approche procure une information moyennée sur toute la taille du dispositif et, donc, perd l’information locale. Ici, nous complétons cette approche par des mesures dans lesquelles la pointe du microscope AFM est polarisée électriquement de sorte à perturber localement le potentiel vu par les porteurs de charge. Le balayage de cette pointe au dessus du dispositif permet d’en construire une image de sa conductance. Cette technique est appelée « microscopie locale à grille ajustable » et est désignée par son acronyme anglo-saxon : SGM. Nous avons ici étudié un système modèle, siège d’interférences quantiques de type Aharonov-Bohm : des anneaux quantiques fabriqués à partir d’hérérostructures à base de GaInAs. Nous couplons nos expériences à des simulations en mécanique quantique et montrons comment la microscopie SGM permet de sonder le transport cohérent et d’imager les fonctions d’onde dans ces anneaux.


  • Résumé

    The continuous size reduction of electronic devices have brought new technical and scientific demands. Firstly, because new peculiar physical effects appear at small scales. Secondly, probing electronic properties at the local scale requires new adapted instrumentation. These two issues have become crucial to the development of the so-called nano-electronics. The objective of this thesis is two fold: enhancing the sensitivity of charge detection deposed over surfaces and the real-space imaging of the wave-function inside buried open nano-devices. To achieve these goals we have conceived a low temperature Atomic Force Microscope (AFM) adapted to study electrical properties over surfaces. In the first chapter of this thesis we describe the operation of the AFM and the technical options. In the second chapter, we describe a parametric method to increase the sensitivity of an AFM to deposed charges over a surface. The movement of the AFM probe is described analytically which is confirmed by numerical solutions and experiments. We conclude that with such a method the thermal noise limit can be beaten. In the same chapter, we make a remark concerning a widespread technique: the Kelvin Force Microscopy (KFM). We show that, in this case, and even if it is not intentional, parametric effect is always present which might substantially change the expected resolution calculated from classical approaches. In the third and last chapter, we address the electronic transport in mesoscopic systems fabricated from two-dimensional electron gases (2DEGs). Traditionally, this kind of samples are characterized with four-point conductance measurements at low temperature. This technique provides information which is averaged over the size of the whole device and, as such, losses the local information. Here, we complement this analysis using the AFM probe as a polarized moving gate that induces a local perturbation of the potential experienced by the 2DEG. As the tip is scanned over the surface, a conductance map is built. This technique is called Scanning Gate Microscopy (SGM). So far, only a limited number of SGM experiments were performed. Here, we use a model sample fabricated from InGaAs heterostructure: a quantum ring (QR). By coupling experiments and quantum mechanical simulations we conclude that SGM permits probing the coherent transport and imaging the electronic probability density inside the QR.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (116 p. p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 85 ref.

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  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque universitaire de Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS08/GRE1/0017/D
  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque universitaire de Sciences.
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  • Cote : TS08/GRE1/0017
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