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Le Nanoprobe : le LT-UHV-4 STM

Le 4-STM comprend 4 STM indépendants balayant la même surface, opération-nels à basse température et sous ultra-haut-vide (UHV). Ces conditions d’utilisa-tion contribuent à stabiliser l’imagerie électronique et à limiter au maximum toute contamination extérieure. Le 4-STM a été installé au laboratoire, dans le bâtiment du Pico-lab à Toulouse par la société ScientaOmicron GmbH. Ce dernier a été livré en septembre 2014 et nous l’avons d’abord testé puis optimisé sur l’or monocristiallin Au(111) [90] (voir chapitre 4).
Dans ce chapitre, le LT-UHV-SEM-4 STM (Figure 3.1) sera détaillé. On désignera, par simplicité, 4-STM l’ensemble du système regroupant les bâtis UHV, connectés, au LT-UHV-SEM-4 STM. Ce dernier est le premier système de ce type actuellement opérationnel au monde à avoir démontré sa capacité à imager une surface conduc-trice à l’aide de ses quatre scanners piézoélectriques, de façon indépendante et avec la résolution atomique, à basse température. Les pointes STM sont positionnées sur la surface par un microscope électronique à balayage (SEM) situé au-dessus d’elles. Sa précision est de l’ordre de la vingtaine de nm (voir section suivante). Le 4-STM a été installé dans une salle blanche de classe 1000 (ISO 3) maintenue à tempéra-ture constante par un système d’aération pour optimiser la stabilité des équipements électroniques et faciliter la préparation des surfaces.
Par ailleurs, ce dernier est installé sur un système amortissant de pieds pneuma-tiques et l’ensemble est placé sur une dalle en béton, comme le montre la Figure 3.1. Ce système permet de découpler au maximum le 4-STM, des vibrations mécaniques du bâtiment. On évite ainsi d’abîmer les pointes STM, tout en limitant l’apparition de bruit mécanique sur les signaux. De plus, le laboratoire est également équipé d’un réseau électrique propre sur lequel les équipements les plus sensibles au bruit élec-tronique sont raccordés. Notre électronique d’acquisition est exclusivement alimen-tée par ce réseau. En augmentant de cette façon le rapport signal sur bruit, on obtient le signal le plus propre possible ne dépendant, uniquement, que des caractéristiques techniques des quatre électroniques d’acquisition du 4-STM lui-même.
L’ensemble du 4-STM est composé de trois chambres UHV : la chambre de pré-paration, la chambre principale ou d’analyse et la chambre d’impression plus po-lyvalente actuellement. L’échantillon peut circuler entre elles à l’aide de cannes de transfert, l’ensemble étant relativement compact dans l’espace permettant alors la réduction des trajets entre chaque préparation, limitant ainsi les contaminations. Les échantillons sont introduits par des « sas d’introduction » au nombre de deux sur le 4-STM, directement rattachés sur la chambre du LT-UHV-SEM-4 STM lui-même, mais également sur la chambre de préparation. Cette dernière est séparée de la chambre du 4-STM et de la chambre d’impression par des vannes étanches (voir Figure 3.1), limitant encore davantage la contamination de l’échantillon lors des transferts entre les différentes chambres. Cette isolation permet également l’uti-lisation de deux chambres en parallèle pour la préparation et l’imagerie STM, par exemple.
Chaque chambre est maintenue à une pression de base inférieure à 10−10 mbar, de façon indépendante. Pour ce faire, on utilise les techniques de pompage classiques de l’ultra-vide connectées par un dispositif automatique de vannes pneumatiques à chaque élément du 4-STM. Dans un premier temps, une pompe à palette permet d’at-teindre un vide primaire autour de 10−3 mbar. Puis, une pompe turbo-moléculaire (Pfeiffer Vacuum HiSpeed) prend le relais pour atteindre un vide secondaire autour de 10−6 mbar. Enfin, une pompe ionique (VARIAN Vacuum Technologies) permet d’obtenir un vide pouvant atteindre quelques 10−11 mbar. Pour compléter l’effet de la pompe ionique sur la qualité du vide, une pompe à sublimation de titane (TSP) vient se coupler à cette dernière de manière à maintenir une pression de base infé-rieure à 10−10 mbar. La lecture de pression dans chaque chambre est assurée par une jauge ionique. Il est à noter qu’un système de contrôle centralisé permet de stopper automatiquement les pompes ioniques et TSP ou de fermer une vanne lorsqu’il y a une détection de fuite à un certain seuil de pression ou une coupure de courant dans l’électronique associée. Cette installation vise à empêcher tout dommage sur le système de pompage.
Les procédures de maintien à ces niveaux de pression sont, par conséquent, as-sez longues et exigeantes. En effet, dans le cas d’une contamination dans le système ou dans le cas où une ouverture du système est nécessaire, on doit « remettre à l’air » ce dernier puis l’étuver. L’étuvage consiste à faire désorber les molécules d’eaux, en majorité présentes sur les parois du dispositif par chauffage de l’ensemble à plus de 100°C (125°C dans notre cas). Ce processus de chauffage est maintenu ainsi pendant plusieurs jours sous un pompage primaire grâce aux pompes à palettes et turbomo-léculaires.
Dans la suite, une description plus détaillée du 4-STM sera effectuée. La première partie, consistera en une description de la partie centrale au 4-STM : le LT-UHV-SEM-4 STM. Ensuite, il s’agira de décrire les chambres annexes attachées, dédiées à la préparation d’échantillons. Puis, dans une dernière partie, nous nous concentrerons davantage sur un dernier élément essentiel de l’imagerie STM : les pointes.

Le LT-UHV-SEM-4 STM

La Figure 3.2 présente la chambre principale du système : le LT-UHV-SEM-4 STM. Lorsqu’on étudie une surface à l’échelle atomique, le choix de la température devient important. L’agitation thermique a pour conséquence d’augmenter la diffusion ato-mique en surface ainsi que les dérives thermiques des composants mécaniques du 4-STM, tels que les actuateurs piézoélectriques (ou scanner, dans la suite nommés PS), affectant de ce fait l’obtention de la résolution atomique sur les 4 STM. Il devient inévitable de travailler à basse température et sous UHV pour espérer s’affranchir du bruit thermique et stabiliser mécaniquement l’ensemble des 4 STM.

Le cryostat

Le système de maintien à basse température sur notre 4-STM est assuré par un cryostat composé de deux réservoirs. L’un est construit pour la température de l’hé-lium liquide (LHe à 4,2 K) et est intégré à l’intérieur d’un autre à azote liquide (LN2 à 77,7 K) de volume d’environ 10,2 L. L’enceinte intérieure (∼ 5,8 L de volume) peut être refroidie à l’azote ou à l’hélium liquide. Elle thermalise les scanners et pointes STM ainsi que le support de l’échantillon.
La photographie de la Figure 3.3 montre les deux boucliers thermiques direc-tement connectés aux réservoirs azote et hélium. Ces derniers protègent les quatre scanners des radiations thermiques. Pour accéder aux scanners depuis la chambre du 4-STM, on doit ouvrir les portes de chaque côté de la tête du cryostat. Une ouverture est également située au-dessus de l’échantillon pour que ce dernier soit accessible au faisceau électronique du SEM. Pour rendre le 4-STM plus compact et isolé mécani-quement du reste du bâti, le câblage électrique des 4 têtes STM est directement relié aux électroniques de contrôle par le passage indiqué par la flèche bleue sur l’image.

Les 4 STM

Lorsque les boucliers sont ôtés du cryostat, on accède au coeur mécanique du sys-tème : les 4 scanners piézoélectriques. Ces derniers sont terminés par les supports en céramiques maintenant les support-pointes 45 ou 90° d’orientation. Un capteur de température (diode Si) monté directement sur cet étage indique la température atteinte lorsque le cryostat intérieur est rempli d’un des deux types de liquide cryo-génique. L’échantillon est inséré et bloqué à l’aide d’un système de bride mécanique par le « wobblestick » de l’opérateur. Le découplage mécanique du bâti et de l’étage des 4 STM se fait par l’intermédiaire d’un levier (cf. Figure 3.4 ) qui met en suspen-sion magnétique (courants de Foucault) tout l’étage au-dessus du cryostat.
La Figure 3.4 montre la disposition des quatre scanners. Sur la Figure 3.4(b) en C, on distingue les ressorts amortissant les vibrations mécaniques du bâti et maintenant les 4 STM loin des bords du cryostat et en D, le levier de mise en suspension de l’étage 4-STM. Les flèches montrent les chemins qu’empruntent les wobblesticks lors de l’ouverture des portes du cryostat dans la chambre d’analyse. Chaque scanner STM peut être déplacé suivant les directions X,Y ou Z grossièrement par des moteurs piézoélectriques et en mode plus fin lorsqu’on souhaite scanner la surface (cf. tableau 3.1). Dans ce dernier cas on utilise le courant tunnel détecté par la boucle de contre-réaction de chacun des scanners. L’étage support de l’échantillon, ne se déplace que suivant les directions X ou Y. Le mouvement des piézo-scanners est assuré par la présence de moteurs inertiels (« slip/stick ») dont le principe est basé sur l’application d’une rampe en tension en dents de scie sur les éléments piézoélectriques composant les scanners. La phase « stick » réalisée par le scanner a lieu lors de la lente déformation du piézo à l’application de la tension. Ce dernier va alors se déplacer. Durant la phase « slip » la tension appliquée chute brutalement et la céramique piézo se rétracte entraînant le fort ralentissement du scanner dans son mouvement et reste quasi-immobile. Le moteur est alors relancé pour effectuer autant de cycles que nécessaires.
Pour mesurer le courant tunnel établi entre la pointe et l’échantillon par l’ap-plication d’une différence de potentiel à l’approche de la pointe, il est nécessaire d’amplifier et de convertir ce courant tunnel en tension. Pour chaque STM, un pré-amplificateur permet cette étape tout en appliquant une tension de polarisation pointe-échantillon suivant différents calibres : ±1V et ±10V . Les différents calibres en cou-rant que nous avons utilisé sont récapitulés dans le tableau 3.2. Il est à noter que les tensions effectivement lues par l’utilisateur, sur le logiciel de contrôle Matrix, corres-pondent à une tension de polarisation appliquée sur l’échantillon. Ainsi, lorsque on réalise une imagerie en tension de polarisation positive, on sonde les états vides et inversement, en tension négative, les états pleins.
Le bruit en courant sur les pré-amplificateurs a été mesuré lorsque nous avons testé le 4-STM sur l’Au(111). Nous avons récapitulé ces différents niveaux dans le chapitre 4 concernant essentiellement l’imagerie de la surface d’Au(111) 1. Nous re-viendrons sur une série de détails techniques concernant les mesures deux pointes, un peu plus loin dans ce chapitre.

Le SEM

La navigation à l’échelle de quelques micromètres à quelques centimètres, le re-pérage et la vérification de l’échantillon et/ou des pointes se réalise avec le micro-scope électronique à balayage (SEM) situé au-dessus des scanners. L’imagerie par SEM est basée sur l’utilisation d’un faisceau d’électrons focalisé au lieu de la lumière pour éclairer une cible. La longueur d’onde associée à l’électron étant plus faible que celle associée au photon, on gagne alors en résolution des objets 2. On modifie la lon-gueur d’onde de l’électron en accélérant ce dernier dans un potentiel allant de 100 eV à 30 keV. La focalisation du faisceau sur la surface est également un paramètre essentiel pour résoudre les plus petites dimensions. Ce dernier est ajusté par la dis-tance de travail (WD) du SEM (distance entre le dernier diaphragme du canon et la surface de l’échantillon). Plus WD est faible, plus la résolution de l’objet est élevée. L’interaction entre l’échantillon et les électrons incidents produit des électrons secon-daires 3 dont l’énergie cinétique dépend de la position spatiale et de la composition atomique de la zone impactée par les électrons.
La colonne du 4 STM est détaillée sur le schéma de la Figure 3.6. Le 4-STM est équipé d’une colonne électronique Carl Zeiss UHV-Gemini qui permet d’obtenir une résolution maximale de 17 nm 4 (cf. l’image d’un échantillon test d’îlots d’or sur HOPG ici en Figure 3.5 démontrant le bord abrupt d’un îlot). La colonne a été spécialement modifiée de façon à être entièrement adaptée pour l’UHV et pour un étuvage à 180°C.
Comme l’indique la Figure 3.6, une source thermo-électronique Schottky à émis-sion de champ émet les électrons 5 par un chauffage à environ 1800 K. Un système de lentilles magnétiques couplé à des ouvertures de différents diamètres position-nés sur le trajet du faisceau électronique réduit et aligne le faisceau d’électrons émis par la source. Le faisceau électronique balaye l’échantillon grâce à des bobines ma-gnétiques situées à l’extrémité du canon. L’interaction entre le faisceau électronique incident et la surface est enregistré en détectant les électrons secondaires, générés depuis l’échantillon, à l’aide du détecteur « InLens SED » placé à l’intérieur du canon relié à un photo-multiplicateur.
Le SEM possède sa propre électronique de contrôle. La source d’électrons doit être maintenue sous une pression au maximum de 10−9 mbar par sa propre pompe ionique différentielle de façon à ne pas abîmer prématurément le filament. Une vanne pneumatique entre la chambre d’analyse et la source permet de garder cette dernière isolée lorsque le SEM n’est pas utilisé.
Dans cette thèse nous nous sommes servis du SEM uniquement pour un repérage de la surface sous les pointes STM, en particulier sur l’or 6 (voir Figure 3.7).

Les mesures à deux pointes

La dernière fonctionnalité que nous avons mise au point est la mesure de trans-port à deux pointes sur une surface. Le but de cette technique est de réaliser des mesures de conductance à la surface de l’échantillon à l’aide de deux pointes STM et à ne faire passer le courant électronique que par la surface de l’échantillon. On applique alors sur le 4-STM une différence de potentiel uniquement entre les deux pointes. Ceci est réalisé en déconnectant, par un automatisme électronique très haute impédance, la masse reliée à la base de l’échantillon (le potentiel de l’échantillon est alors « flottant ») [84].
Une séquence de mesures à deux pointes est explicitée dans cette section. Pour des distances de quelques µm l’une par rapport à l’autre, les pointes doivent déjà être préparées pour la surface d’étude, c’est-à-dire que l’on doit avoir la résolution atomique sur chaque pointe avant tout rapprochement entre les pointes. Cette ap-proche grossière entre les pointes se fait grâce au MEB jusqu’à quelques µm de dis-tance inter-pointes.
En effet, pour préparer des pointes métalliques sur une surface métallique on doit appliquer des impulsions en tension entre la pointe et la surface. On obtient, dans ce cas, des pointes métallisées ne possédant qu’un atome en leur apex. Si ces dernières sont très rapprochées l’une de l’autre, il se peut que lors de ce type de préparation, l’autre pointe subisse également l’influence électrostatique de cette impulsion. À de courtes distances, on évitera la préparation de pointes par cette technique.
Les quatre scanners possèdent une haute résolution de balayage. La dernière li-mite d’approche des pointes est leur contact tunnel l’une par rapport à l’autre. Le MEB ne possédant pas la résolution suffisante pour résoudre complètement l’apex des pointes en approche, on ne compte que sur le balayage de chaque tête STM concernée pour déterminer la distance entre 2 apex. L’approche fine s’effectue par balayage de zones de quelques centaines de nm situées entre les deux pointes. On alterne les balayages à grande échelle d’une pointe à l’autre en préservant, à chaque fois, de toute perturbation la deuxième pointe balayant un coin spatialement plus éloigné de l’autre pointe, sur une zone plus petite de l’ordre de quelques nm dé-pourvue de défauts. Si l’on reconnaît un même défaut, comme un bord de marche atomique, sous chacune des pointes alors on connaît la position des pointes l’une par rapport à l’autre. On procède ensuite au positionnement des deux pointes spa-tialement sur une zone choisie. Pour réaliser la commutation de la connexion de l’échantillon vers la masse ou non, on utilise un commutateur très haute impédance. Les déconnexions successives entre la masse et l’échantillon doivent se produire sans bruit mécanique et aucun courant de fuite ne doit circuler lors de la déconnexion à la masse. Cette boîte de commutation est connectée entre la masse de l’échantillon et la masse commune des pré-amplificateurs. Ce système est alimenté par l’alimentation 5 V du contrôleur Matrix. Le signal déclencheur, lié à la pointe « maître », est accessible sur la face arrière du « rack » du Matrix concerné, au niveau de la connexion « cen-tral real time controller » (CRTC). En effet, lorsque l’on enregistre, par exemple, une caractéristique courant-tension (I-V), la rampe en tension est synchronisée par plu-sieurs signaux électriques niveaux « transistor-transistor logic » (TTL). Le signal TTL correspondant à la déconnexion de la boucle de contre-réaction de la pointe-maître est récupéré sur la sortie CRTC mentionnée précédemment (voir schéma). Dès lors que l’on enregistrera une courbe I-V à l’aide de la pointe-maître, l’échantillon sera automatiquement déconnecté de sa masse.

Table des matières

1 Introduction 
2 Le choix de la surface-support du circuit atomique 
2.1 Les possibles surface-supports
2.1.1 Les surfaces-support à larges gaps : Al2O3, AlN, NaCl, Ca-COOH, SiO2, h-BN
2.1.2 Les surfaces-support sans gap
2.1.3 Les surfaces-support à petit gap
2.2 Technologie de construction des circuits
2.3 Les contacts
2.3.1 De l’échelle du micron à la dizaine de nm
2.3.2 De l’échelle de la dizaine de nm au circuit atomique
2.4 Conclusion
3 Le Nanoprobe : le LT-UHV-4 STM 
3.1 Le LT-UHV-SEM-4 STM
3.1.1 Le cryostat
3.1.2 Les 4 STM
3.1.3 Le SEM
3.1.4 Les mesures à deux pointes
3.2 La chambre de préparation des surfaces d’étude
3.3 La chambre d’impression
3.4 Les pointes STM
4 La surface d’or (Au(111)) avec le LT-UHV-4 STM 41
4.1 Préparation de la surface d’Au(111)
4.2 Mesures avec une pointe sur le LT-UHV-4 STM
4.2.1 L’imagerie au 4-STM
4.2.2 La manipulation d’atomes
4.2.3 Le contact atomique pointe-surface
4.3 Mesures à deux pointes au LT-UHV-4 STM
4.4 Conclusion
5 La surface Si(100) :H-(2×1) avec une pointe du LT-UHV-4 STM 
5.1 La caractérisation du Si(100) :H-(2×1)
5.2 La fabrication ex situ – échantillon A
5.3 Les particularités des échantillons encapsulés
5.4 La fabrication in situ – échantillon B
5.5 Comparaisons et résultats – échantillons A et B
5.5.1 Structures atomiques et défauts
5.5.2 Imagerie atomique
5.5.3 Mesure du gap apparent à la surface
5.6 Conclusions
6 Ecriture atome-par-atome sur la surface de Si(100) :H-(2×1) avec une des pointes du LT-UHV 4 STM 
6.1 La construction atome-par-atome
6.2 La lithographie STM
6.3 Ré-adsorption d’un atome d’hydrogène
6.4 Application à la construction de plots de liaisons pendantes
6.5 Conclusions
7 Contacter une liaison pendante de silicium sur Si(100) :H-(2×1) avec le LTUHV- 4 STM 
7.1 Rappels sur les types contacts
7.2 Les courbes I-z sur la surface de silicium passivée en hydrogène
7.2.1 Sur un dimère d’hydrogène
7.2.2 Au-dessus d’une liaison pendante de silicium
7.3 Discussion
8 Mesure de la conductance de surface avec des plots de liaisons pendantes 
8.1 Mesures 2 pointes sur Si(100) :H-(2×1)
8.2 Mesures 2 pointes sur plot(s) de DBs
8.3 Conclusions
9 Conclusion générale 
10 Annexes 
10.1 Schéma d’approche de 2 pointes du 4-STM sur une surface
10.2 Barrière tunnel métal/vide/métal
10.3 Spectroscopie STS en fonction de la hauteur – partie mesure à 2 pointes sur Si(100) :H-(2×1)
10.4 Courbes I-V sur les plots de liaisons pendantes

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