Systèmes nanoélectroniques hybrides : cartographies de la densité d'états locale

par Sylvain Martin

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Hervé Courtois.

Soutenue le 13-12-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec CP (équipe de recherche) et de Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Thierry Ouisse.

Le jury était composé de Hervé Courtois, Vincent Repain, Clemens Winkelmann.

Les rapporteurs étaient Christoph Renner, Thierry Mélin.


  • Résumé

    La physique mésoscopique est actuellement dominée par des mesures de transport permettant d'extraire les propriétés électroniques globales des systèmes étudiés. La spectroscopie tunnel permet d'avoir un accès direct à la densité d'états locale (LDOS). Nous pouvons donc sonder les évolutions spatiale des propriétés électroniques notamment à l'interface entre 2 matériaux possédant des propriétés différentes. Au cours de cette thèse, nous avons développé un microscope à sonde locale qui combine microscopie à force atomique (AFM) et microscopie à effet tunnel (STM) et qui fonctionne à 100mK. L'AFM permet de localiser un nanocircuit unique sur un substrat isolant grâce à un Length Extension Resonator (LER). Nous pouvons ensuite mesurer la spectroscopie tunnel locale du nanocircuit conducteur. La résolution énergétique obtenue avec ce système est de 70µeV. Nous avons montré la faisabilité expérimentale d'une telle étude en mesurant l'effet de proximité sur un îlot de cuivre (métal normal) connecté par deux électrodes supraconductrices en aluminium à l'équilibre, hors-équilibre et sous champ magnétique. Nous avons également mesuré la LDOS du graphène sur Ir(111) qui présente des propriétés proches du graphène intrinsèque avec un dopage de type p de l'ordre de 0.34eV. Nous avons observé que ce dopage fluctue spatialement avec la présence de poches de charges avec une taille typique de l'ordre de 9nm. Ces observations sont similaires à des résultats déjà reportés sur des systèmes graphène sur SiO2. Cependant, le profil des poches que nous avons mesuré montre une forte corrélation avec la topographie due à une modulation du potentiel électrostatique induit par le métal sous le graphène. Une analyse plus fine a permis également de réveler la présence d'interférences de quasiparticules se traduisant par une inhomogénéité de la DOS. La taille typique des structures est de l'ordre de la longueur d'onde de Fermi avec une dépendance linéaire avec l'énergie selon E=ħvFk avec vF = 8.3±0.7x10^5m/s proche de la vitesse de Fermi théorique de 1x10^6m/s. Cela met évidence la présence de diffusion intravallée et prouve le caractère de fermions de Dirac sans masse des particules du graphène sur Ir(111).

  • Titre traduit

    Hybrids nanoelectronics systems : mappings of the local density of states.


  • Résumé

    Mesoscopic physic is currently dominated by transport measurements that extract overall electronic properties of the studied sytstems. Tunneling spectroscopy gives access to the local density of states (LDOS). Hence, we can probe the spatial evolution of the electronic properties especially at the interface between two materials with different properties. During this thesis, we built-up a scanning probe microscope at 100mK that combine both atomic force microscopy (AFM) and scanning tunneling microscopy (STM). AFM helps to locate a single nanocircuit on insulating substrate thanks to a Length Extension Resonator (LER). We can then measure the tunneling spectroscopy on the conductive nanocircuit. The energy resolution of the system is of 70µeV. We show the experimental proof of such a system by measuring the proximity effect in copper island (normal island) connected by two superconducting leads in aluminum at equilibrium, out of equilibrium and with a magnetic field. We also measured the LDOS of graphene on Ir(111) that displays electronic properties close to the one of intrinsic graphene with p-doping of about 0.34eV. We observe spatial inhomogeneities of this doping forming charge puddles with a typical size af about 9nm. Those observations are close to previous results reported on graphene on SiO2. However, the profile of the measured puddles shows a strong correlation with the topography due to the modulation of the electrostatic potential induced by the metal below the graphene. A closer look to the DOS shows quasiparticles interferences forming DOS inhomogeneities. The typical size of the DOS structures is of the order of the Fermi wavelength with a linear dependence with energy as E=ħvFk with vF = 8.3±0.7x10^5m/s which is close to the theoretical Fermi velocity of 1x10^6m/s. This point out the presence intravalley scattering and demonstrate the fact that particles in graphene on Ir(111) are Dirac fermions without mass.


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