Action LT-STM

Présentation

	États confinés dans des nanostructures
	Matériaux pour la nanoélectronique (semi-conducteurs, DMS, graphène...)
	Du nanomagnétisme au spin unique - STM polarisé en spin
	Nouveaux états quantiques de la matière

Faits Marquants

• Une illustration expérimentale des niveaux électroniques d’un puits de potentiel : les fonctions d’onde des états propres des boites quantiques InAsP/InP imagées par microscopie/spectroscopie à effet tunnel (STM/STS) (2012-05-04)
  Thème(s) : Nanostructures, gaz d'électron et électronique de spin
  
  

Membres

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

Et aussi...

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 in NbSe3 , 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 elctronic 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)

Contrats et projets

ANR non thématiques

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

Référence de contrat : ANR BLANC
Responsable(s) LPN : Abdelkarim Ouerghi
Principaux objectifs : 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 : Manipulation de l’aimantation dans le composé ferromagnétique GaMnAs

Référence de contrat : ANR Blanc
Responsable(s) LPN : Aristide Lemaitre
Principaux objectifs : L’état d’aimantation d’un objet ou d’une particule ferromagnétique est un bit d’information simple et robuste. Il a été utilisé pendant des décennies pour stocker de l’information dans les disques durs. Dans ces composants l’état d’aimantation est contrôlé par l’application d’impulsions de champ magnétiques courtes et localisées. Aller au delà de cette technique, avec des méthodes alternatives, pourrait accroître considérablement les possibilités de stockage et de logique dans des cellules ou circuits magnétiques. Notre projet est au cœur de cette thématique. Nous proposons ici d’étudier plusieurs concepts pour manipuler l’aimantation en utilisant des stimuli non-magnétiques dans un matériau ferromagnétique particulier : le semiconducteur ferromagnétique GaMnAs. Dans ce composé l’origine du ferromagnétisme est singulière, il est lié à la nature composite de ce matériau, à la fois magnétique et semiconducteur. La phase ferromagnétique est induite par le couplage d’échange entre le spin de porteurs et les moments magnétiques du manganèse. Cette propriété donne lieu à un fort couplage entre les propriétés magnétiques et semiconductrices, une opportunité unique pour explorer de nouvelles pistes pour la manipulation de l’aimantation. Dans ce projet, les techniques que nous étudierons sont les manipulations utilisant i) un courant de spin pour le renversement de l’aimantation et le déplacement de parois de domaine, ii) la contrainte, iii) des impulsions lumineuses et iv) des champs électriques. Plusieurs d’entre eux ont déjà été démontrés dans les systèmes métalliques, nous envisageons dans ce cas de mettre en évidence les modifications liées à la nature de ce composé semiconducteur. Cette comparaison apportera un éclairage complémentaire sur les mécanismes réalisant la manipulation de l’aimantation. D’autres, comme la manipulation par un champ électrique, sont spécifiques à ce composé. Nous déterminerons alors la versatilité de ces techniques pour obtenir de larges changements de direction et d’amplitude de l’aimantation. (2010-2013)

Stages passés et en cours

Post-doctorat

• 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
Groupe : Physique et Technologie des Nanostructures (PHYNANO)
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Thèse

• Etude des états électronique dans la surface (111)A de type n In0.53Ga0.47As par effet tunnel à basse temperature

S. Perraud-(2004-10-01 / 2007-10-01)
Contact : Z.-Z. Wang , K. Kanisawa
Groupe : Physique et Technologie des Nanostructures (PHYNANO)
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• Étude de composés Quasi-unidimensionnels à Onde de Densité de Charge par Microscopie à Effet Tunnel

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

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

Niveau : Master2
Contact : J.-C. Girard , G. Rodary
Groupe : Physique et Technologie des Nanostructures (PHYNANO)
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Les semi-conducteurs magnétiques représentent une famille de matériaux pour laquelle il est envisagé de manipuler à la fois la charge et le spin de l’électron. Cependant, la compréhension à l’échelle locale des interactions entre dopants et avec la matrice semi-conductrice demeure incomplète. Le but de ce stage est donc l’étude de ces interactions à l’échelle ultime de l’atome, ceci grâce à la microscopie et spectroscopie à effet tunnel (STM/STS) et à la microscopie 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 GaMnAsP. 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.


• Etude de dopants Mn dans GaAs par microscopie à effet tunnel sous ultra-vide et à basse température

Niveau : Master2
Contact : J.-C. Girard
Groupe : 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)
Niveau : Master2
Contact : Z.-Z. Wang
Groupe : 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)
Niveau : DUT
Contact : Z.-Z. Wang
Groupe : 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).