rapport d'activités 2003-2008 - RQMP

Étude de la structure électronique de points quantiques
isolés par microscopie à force électrostatique à 4,5 K
Chercheurs : Peter Grütter, Yoichi Miyahara et Ashish Clerk
Collaborateurs : Andy Sachrajda, Sergei Studenikin et Philip Poole (IMS-NRC)
Étudiante : Lynda Cockins
Contact : Peter Grütter; grutter@physics.mcgill.ca; www.physics.mcgill.ca/~peter
La microscopie à force électrostatique (Electrostatic force microscopy – EFM) est un outil
puissant pour étudier les propriétés électriques de dispositifs à l’échelle du nanomètre. Il nous
a permis de faire des mesures de force révélant la charge d’un seul électron dans des points
quantiques (PQ) isolés d’InAs auto-assemblés par croissance épitaxiale. Des expériences plus
poussées révéleront la structure des niveaux d’énergie interne de tels PQs isolés. La technique
est également appliquée à l’étude des fluctuations spatiales et temporelles des charges dans des
dispositifs à l’échelle du nanomètre.
À l’instar des atomes, les points quantiques (PQ) ont une structure
électronique définie par des niveaux discrets : ils sont
pour cette raison parfois appelés « atomes artificiels ». Il nous
importe de comprendre comment la structure (forme et taille)
des points quantiques influence leur structure électronique,
car celle-ci influencera à son tour, les propriétés de dispositifs
(c.-à-d. lasers semiconducteurs et automates cellulaires quantiques)
auxquels ils sont intégrés.
Le modèle théorique du prof. A. Clerk prédit que l’amortissement
en fonction de la température fournit le niveau d’énergie
interne d’un PQ. Des expériences réalisées sous l’effet d’un
champ magnétique fourniraient aussi cette information. L’AFM
cryogénique, équipé d’un aimant supraconducteur de 8 T,
permet de conduire les deux expériences, afin d’étudier simultanément
plusieurs PQs, de tailles et formes différentes.
Nous cherchons à définir les niveaux énergétiques de PQs
isolés en mesurant la force électrostatique à l’aide d’un microscope
à force atomique (AFM) cryogénique, sensible à la force
électrostatique due à un seul électron.
L’AFM fait osciller, à quelques nanomètres au-dessus de
l’échantillon, un micro levier (cantilever) doté d’une pointe
métallique. Nous enregistrons la variation de la résonance de
celle-ci, qui est due à la variation de la force d’interaction entre
la pointe et l’échantillon. L’application d’un voltage correctif
permet d’isoler la force électrostatique. Une carte spatiale
de la force électrostatique à la surface de l’échantillon, d’une
résolution de l’ordre du nanomètre, est obtenue par balayage
de l’échantillon avec la pointe. L’information peut être aussi
obtenue localement, en immobilisant celle-ci.
Figure 2. Variation de fréquence (rouge) et amortissement (vert) en fonction du
voltage de correction, sur un PQ d’InAs.
Figure 1. Image AFM de PQs
dans l’InAs.
En plaçant la pointe sur un PQ
d’InAs (Figure 1), et en appliquant
le voltage correctif, des
sauts discrets de la fréquence
d’oscillation du cantilever indiquent
les variations subites de la
force. Ces variations sont dues à
l’entrée, ou au départ, d’un seul
électron dans le PQ. La mesure
simultanée de l’amortissement
du cantilever montre des pics
aux mêmes voltages (Figure 2).
Cela signifie qu’une fraction de
l’énergie du cantilever est transférée
à la charge du PQ.
Cette technique, permettant la mesure des fluctuations spatiales
et temporelles du champ électrostatique, sera appliquée à
l’étude de l’influence de telles fluctuations sur les propriétés de
dispositifs à l’échelle du nanomètre.
Références
• “High-aspect ratio metal-tips attached to atomic force microscopy cantilevers
with controlled angle, length and radius for electrostatic force microscopy”,
L. Cockins, Y. Miyahara, R. Stomp et P. Grutter,
Rev. Sci. Instrum. 78, 113706 (2007).
• “Detection of single electron charging in an individual InAs quantum dot by
noncontact atomic force microscopy”, R. Stomp, Y. Miyahara, S. Schaer, Q. Sun,
H. Guo, P. Grutter, S. Studenikin, P. Poole et A. Sachrajda,
Phys. Rev. Lett. 94, 056802 (2005).
• “Determination of T c , Vortex Creation and Vortex Imaging of a Superconducting
Nb Film using Low Temperature Magnetic Force Microscopy”,
M. Roseman et P. Grutter,
J. Appl. Phys. 91, 8840 (2002).
71 | RQMP | projets