Action LT-STM

Presentation

	Confined states in nanostructures
	Materials for nanoelectronics (semiconductors, DMS, graphene...)
	From nanomagnetism to single spin - Spin Polarized STM
	New quantum states of matter

Highlights

• Nanoscale characterization of InAsP/InP quantum dots by scanning tunneling spectroscopy Wave function mapping of “artificial atoms” made of ~105-106 atoms (2012-05-04)
  Theme : Nanostructures, gaz d'électron et électronique de spin
  
  

Members

Contacts

Rodary Guillemin	(+33) 1 69 63 61 21
Wang Zhao-Zhong	(+33) 1 69 63 61 85
Girard Jean-Christophe	(+33) 1 69 63 61 84

And also...

David Christophe

(+33) 1 69 63 61 82

Publications

• Discretization of Electronic States in Large InAsP/InP Multilevel Quantum Dots Probed by Scanning Tunneling Spectroscopy , B. Fain, I. Robert-Philip, A. Beveratos, C. David, Z.-Z. Wang, I. Sagnes, J.-C. Girard, Phys. Rev. Lett. 108, 126808 (2012)
• Scanning-Tunneling Microscope Imaging of Single-Electron Solitons in a Material with Incommensurate Charge-Density Waves , S. Brazovskii, C. Brun, Z.-Z. Wang, P. Monceau, Phys. Rev. Lett. 108, 96801 (2012)
• Electronic properties of embedded MnAs nano-clusters in a GaAs matrix and (Ga,Mn)As films: Evidence of distinct metallic character , B. Rache Salles, J.-C. Girard, C. David, F. Offi, F. Borgatti, M. Eddrief, V. H. Etgens, L. Simonelli, M. Marangolo, G. Panaccione, Appl. Phys. Lett. 100, 203121 (2012)
• STM/STS investigation of edge structure in epitaxial graphene , M. Ridene, J.-C. Girard, L. Travers, C. David, A. Ouerghi, Surface Science 606, 1289 (2012)
• Atomic structure of tip apex for spin-polarized scanning tunneling microscopy , G. Rodary, J.-C. Girard, L. Largeau, C. David, O. Mauguin, Z.-Z. Wang, Appl. Phys. Lett. 98, 82505 (2011)
• Electronic structure of cleaved InAsP/InP(001) quantum dots measured by scanning tunneling spectroscopy , B. Fain, J.-C. Girard, D. Elvira, C. David, G. Beaudoin, A. Beveratos, I. Robert-Philip, I. Sagnes, Z.-Z. Wang, Appl. Phys. Lett. 97, 171903 (2010)
• Cross-sectional magnetic force microscopy of MnAs/GaAs(001) , B. Rache Salles, M. Marangolo, C. David, J.-C. Girard, Appl. Phys. Lett. 96, 52510 (2010)
• Surface Charge density Wave phase Transition inNbSe3 , C. Brun, Z.-Z. Wang, P. Monceau, S. Brazovskii, Phys. Rev. Lett. 104, 256403 (2010)
• Low temperature scanning tunneling microscopy wave-function imaging of InAs/GaAs quantum dots with similar height , J.-C. Girard, A. Lemaitre, A. Miard, C. David, Z.-Z. Wang, J. Vac. Sci. Technol. B 27, 891 (2009)
• Scanning tunneling microscopy at the NbSe_3 surface: Evidence for interaction between q_1 and q_2 charge density waves in the pinned regime , C. Brun, Z.-Z. Wang, P. Monceau, Phys. Rev. B 80, 45423 (2009)
• Bound states induced by a single donor in a semiconductor quantum well: A scanning tunneling microscopy study , S. Perraud, K. Kanisawa, Z.-Z. Wang, Physica E 40, 1418 (2008)
• STM Images of Subsurface Mn Atoms in GaAs: Evidence of Hybridization of Surface and Impurity States , J.-M. Jancu, J.-C. Girard, A. Lemaitre, F. Glas, Z.-Z. Wang, P. Voisin, Phys. Rev. Lett. 101, 196801 (2008)
• Direct measurement of the binding energy and Bohr radius of a single hydrogenic defect in a semiconductor quantum well , S. Perraud, K. Kanisawa, Z.-Z. Wang, T. Fujisawa, Phys. Rev. Lett. 100, 56806 (2008)
• Dramatic dependence of the Fermi level pining strength on crystal orientation at clean surfaces on n-type In0.53Ga0.47As grown by molecular beam epitaxy , S. Peraud, K. Kanisawa, Z.-Z. Wang, Y. Hirayama, J. Cryst. Growth 301-302, 148 (2007)
• Imaging the percolation of localized states in a multisubband 2D electronic system subject to disorder potential , S. Perraud, K. Kanisawa, Z.-Z. Wang, T. Fujisawa, Phys. Rev. B 76, 195333 (2007)
• Unpinning of the Fermi level at (111)A clean surfaces of epitaxially grown n-type In0.53Ga0.47As , S. Perraud, K. Kanisawa, Z.-Z. Wang, Y. Hirayama, Appl. Phys. Lett. 89, 192110 (2006)
• Analysis of scanning tunneling microscopy images of the charge-density-wave phase in quasi-one-dimensional Rb0.3MoO3 , E. Machado-Charry, P. Ordejon, E. Canadell, C. Brun, Z.-Z. Wang, Phys. Rev. B 74, 155123 (2006)
• Charge-density waves in rubidium blue bronze Rb0.3MoO3 observed by scanning tunneling microscopy , C. Brun, J.-C. Girard, Z.-Z. Wang, J. Marcus, J. Dumas, C. Schlenker, Phys. Rev. B 72, 235119-1 (2005)
• Spatially resolved tunneling spectroscopy on TTF-TCNQ , Z.-Z. Wang, J.-C. Girard, C. Pasquier, D. Jerome, J. Phys. IV 114, 91 (2003)
• Scanning tunneling microscopy in TTF-TCNQ: Phase and amplitude modulated charge density waves , Z.-Z. Wang, J.-C. Girard, C. Pasquier, D. Jerome, K. Bechgaard, Phys. Rev. B , 121401 (2003)
• Study of C-I-C CDW phase transition in TTF-TCNQ with STM , Z.-Z. Wang, J.-C. Girard, C. Pasquier, D. Jerome, Synth. Met. 133-134, 23 (2003)

Contracts and projects

ANR non thématiques

SUPERTRAMP : Au delà du graphène : Dopage, supraconductivité et transitions de phase en 2D

Reference contract : ANR BLANC
LPN leader(s): Abdelkarim Ouerghi
Main goals : Ce projet de recherche s\\\\\\\'intéresse à la possibilité d\\\\\\\'induire des transitions métal-isolant ou métal-supraconducteur par dopage dans des couches ultrafines- jusqu\\\\\\\'à la monocouche atomique- où des instabilités de charge et les singularités électroniques sont souvent exacerbées.Ce projet de recherche s\\\\\\\'intéresse à la possibilité d\\\\\\\'induire des transitions métal-isolant ou métal-supraconducteur par dopage dans des couches ultrafines- jusqu\\\\\\\'à la monocouche atomique- où des instabilités de charge et les singularités électroniques sont souvent exacerbées. (2011-2014)

MANGAS : Magnetization manipulation in ferromagnetic GaMnAs

Reference contract : ANR Blanc
LPN leader(s): Aristide Lemaitre
Main goals : The magnetization state of a ferromagnetic object or particle is a simple and reliable bit of information. It has been used for decades to store information on hard disk drives. In these devices the magnetization state is manipulated by applying short and localized magnetic field pulses. Going beyond this technique, with alternative methods to magnetization manipulation, would tremendously extend the possibilities of information storage and logic using ferromagnetic cells or circuits. Our project is at the very heart of this topic. We propose here to investigate several schemes to manipulate the magnetization using non-magnetic stimuli in a specific ferromagnetic material: the ferromagnetic semiconductor GaMnAs. In this compound the origin of the ferromagnetism is singular, and stems from the composite nature of this compound: both magnetic and semiconducting. The magnetic phase is induced by the exchange coupling between the spin of the carriers (holes) and the manganese magnetic moments. This property gives rise to a strong interplay between the magnetic and the semiconducting properties, a unique opportunity to explore new roads to magnetization manipulation. In this project, the techniques we will be investigating are manipulations using i) spin currents for magnetization switching or domain wall motion ii) strain iii) light pulses and iv) electric fields. Several of them have already been demonstrated in metallic systems, we plan then to evidence the modifications brought about by this carrier induced ferromagnetism. This comparison will give invaluable information about the mechanisms at work in magnetization manipulation. Some others, like electric field induced manipulation, are specific to ferromagnetic semiconductors. We will then determine how versatile these techniques can be to obtain large changes of the magnetization direction and amplitude. (2010-2013)

Past and current Internship Training

Post-docs

• Nanomesure de la spectroscopie par effet tunnel d'oxydes supraconducteurs (BSCCO pur et irradié)

P. Luo-(2003-02-15 / 2004-08-22)
Contact : Z.-Z. Wang
Group : Physique et Technologie des Nanostructures (PHYNANO)
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PhDs

• Electronic structure measured by LT-STM at (111)A clean surfaces of epitxially grown n-type In0.53Ga0.47As

S. Perraud-(2004-10-01 / 2007-10-01)
Contact : Z.-Z. Wang , K. Kanisawa
Group : Physique et Technologie des Nanostructures (PHYNANO)
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• Study of Quasi-One-Dimensional Charge Density Wave Systems by Scanning Tunneling Microscopy

C. Brun-(2003-10-01 / 2006-12-20)
Contact : Z.-Z. Wang
Group : Physique et Technologie des Nanostructures (PHYNANO)
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Internship Training

• Etats électroniques et magnétiques d’atomes isolés dans des semi-conducteurs magnétiques

Level : Master2
Contact : J.-C. Girard , G. Rodary
Group : Physique et Technologie des Nanostructures (PHYNANO)
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Les semi-conducteurs magnétiques représentent une famille de matériaux qui pourrait permettre de manipuler à la fois la charge de l’électron et son spin. Cependant, la compréhension de la nature locale des interactions des atomes dopants entre eux et avec la matrice semi-conductrice locale demeure incomplète. Le but de ce stage est donc l’étude de ces interactions à l’échelle ultime de l’atome, ceci grâce aux techniques associées à la microscopie à effet tunnel (STM) : la spectroscopie tunnel (STS) et, à moyen terme, le STM polarisé en spin (SP-STM). L’étude se focalisera sur le semi-conducteur magnétique GaMnAsP. L’ajout du P dans le semi-conducteur magnétique modèle GaMnAs permet d’ajuster le signe et l’amplitude de l’anisotropie magnétique du composé en changeant la concentration de P, et ainsi de choisir l’orientation de l’aimantation, perpendiculaire ou dans le plan des couches [Phys. Rev. B 81, 041202, 2010]. Pour comprendre l’origine atomique de ces effets, la spectroscopie d’atome individuel de Mn (accepteur) sera réalisée en fonction de la concentration en P dans le matériau, pour laquelle un accroissement de l’énergie d’ionisation pourrait être directement mesuré par STS. Grâce à la spectroscopie tunnel, il sera également possible de sonder l’interaction magnétique entre ions Mn qui est à l’origine du ferromagnétisme dans GaMnAs. Leur couplage sera étudié en fonction de leur distance, de leur position cristallographique respective et de la concentration en P suivant l’approche de Kitchen et al. [Nature 442, 436, 2006)] Enfin, si le stage se poursuit en thèse, l’effort se focalisera sur des mesures de spectroscopie dépendant du spin par SP-STM sur les atomes magnétiques. Cette technique est encore inédite dans le domaine des semi-conducteurs.


• Study of Mn doped GaAs by Scanning Tunneling Microscopy in Ultra-High-Vaccum and at Low Temperature

Level : Master2
Contact : J.-C. Girard
Group : Physique et Technologie des Nanostructures (PHYNANO)
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L’enjeu pour les semi-conducteurs magnétiques dilués, qui s’inscrit dans le thème en effervescence de l’électronique de spin ou « spintronique », est de contrôler et d’utiliser les deux degrés de liberté des porteurs : la charge et le spin. Dans GaAs fortement dopé en ions Mn (quelques 1020cm-3) il apparaît une phase ferromagnétique due à l’interaction d’échange entre les trous et les moments magnétiques du Mn. Bien que sa température de Curie (170K) reste actuellement inférieure à la température ambiante, Ga1-XMnXAs est l’un des semi-conducteurs magnétiques dilués les plus prometteurs en vue d’applications technologiques. Un effort, une course, technologique est engagée pour l’optimisation des conditions de croissance de ce matériau ; d’autre part, la physique fondamentale des propriétés électroniques du Mn dans GaAs reste mal comprise. Au LPN, nous disposons d’une part des techniques et de l’expertise dans l’élaboration de couches Ga1-XMnXAs en épitaxie par jets moléculaires (MBE) et d’autre part d’un microscope à effet tunnel sous ultra-vide et à basse température (UHV-LT-STM) qui est un outil de choix pour la mesure des propriétés électroniques des dopants. Les résultats obtenus au Laboratoire dans le cas du dopage Zn de GaAs ainsi que plusieurs publications récentes [1-2] ont mis en évidence la très forte anisotropie de la fonction d’onde du dopant vu comme un triangle sur la face de clivage (110) de GaAs. Dans le cas du Mn, la forme spécifique en croix, observée en STM à température ambiante par Yakumin et al [3], est interprétée comme résultant d’une contribution supplémentaire liée à la couche 3d incomplète de l’élément de transition. Dans ce contexte, nous proposons l’étude des propriétés électroniques et de préciser la mesure de la fonction d’onde de l’accepteur Mn dans GaAs par STM. La technique de spectroscopie par effet tunnel à basse température 77K et 4K, permet de mesurer la densité d’état électronique locale LDOS finement résolue en énergie et résolue spatialement au voisinage d’une impureté. D’autre part, des aspects plus directement relatifs aux conditions de croissance du Ga1-XnXAs tels que des processus de diffusion – ségrégation seront abordés en mesurant la distribution spatiale tridimensionnelle des dopants. A partir d’images STM, il est en effet possible, par une analyse de la distribution de hauteur des élévations locales associes aux dopants, de préciser jusqu'à 7 monocouches la profondeur, sous la surface, à laquelle se trouve le dopant. Le stagiaire devra acquérir les bases des techniques et manipulations sous ultra-vide, de la basse température et de la microscopie par effet tunnel dans le mode d’imagerie et dans le mode spectroscopique. Références : [1] G. Mahieu et al Phys.Rev.Lett. 94, 026407 (2005) [2] S.Perraud, C. David and Z.Z. Wang soumis à Appl.Phys.Lett. S.Perraud - rapport stage de DEA Sciences des Matériaux ParisVI (oct2003-juin2004) [3]A.M.Yakumin et al Phys.Rev.Lett. 92, 216806 (2004) Techniques utilisées : croissance en épitaxie par jets moléculaires microscopie à effet tunnel sous ultra-vide et à basse température.


• Microscopie et spectroscopie tunnel à basse température de la surface GaAs(110) de type P

S. Perraud-(2003-10-01 / 2004-07-05)
Level : Master2
Contact : Z.-Z. Wang
Group : Physique et Technologie des Nanostructures (PHYNANO)
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• Oxydation locale contrôlée par AFM sur GaAs

N. Lapierre-(2005-04-01 / 2005-06-30)
Level : DUT
Contact : Z.-Z. Wang
Group : Physique et Technologie des Nanostructures (PHYNANO)
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Récemment nous avons développé une nouvelle technique de nanofabrication par AFM/STM(microscopie à force atomique / microscopie à effet tunnel) : oxydation anodique locale (LAO) sur GaAs. Notre système est placé sous atmosphère contrôlée (humidité contrôlée) dans une boite à gant (condition nécessaire pour contrôler l'oxydation). Dans cette technique la pointe conductrice d'AFM est comme un contact électrique en mouvement qui permet de passer un courant électrique local. Par effet d'oxydation anodique local la surface d'échantillon est modifiée à l'échelle nanométrique. Le stage proposé est dans le but de créer des nanostructures et des barrières de transport des électrons in situ dans un gaz d'électron bi-dimentionnel par AFM/STM. Il s'agit d'étudier les conditions de nanofabrication qui permettent le contrôle de la profondeur d'oxydation dans GaAs. Les structures créées seront étudiées par LT-UHV-STM ou par mesure de propriété de transport. Dans une perspective de nanofabrication ou de nano-modification de structures déjà existantes (quantum point in-plane gates...) cette technique peut être intégrée dans des procédés de nano-fabrications conventionnels (lithographie électronique et optique).