Reflets de la Physique n°62 jun à sep 2019
Reflets de la Physique n°62 jun à sep 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°62 de jun à sep 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 60

  • Taille du fichier PDF : 5,2 Mo

  • Dans ce numéro : dossier, le nouveau système international d'unités.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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-T V DC a b o o spectre de µPL. Ici, nous avons déterminé l’importance des fluctuations des interfaces des boites quantiques. Ces fluctuations se traduisent en effet par des minima de potentiel locaux qui peuvent confiner les états des trous dans des régions de taille significativement plus faible que celle de la boite elle-même, et avec une énergie inférieure (de quelques dizaines de meV) à celle qu’on attendrait en l’absence de ces fluctuations (absence assumée dans les modèles courants). Vers une analyse simultanée d’ions et de photons Ces résultats ont ouvert la possibilité d’exploiter l’impulsion laser qui déclenche l’évaporation ionique dans une SAT pour étudier la photoluminescence in situ, schématisée dans la figure 4a. Une première étude de µPL in situ a concerné la 8 Reflets de la Physique n°62 Impulsion laser T (tension mécanique) Détecteur SAT Photoluminescence Évaporation ionique Signal PL (coups/100) 5 kV 0 2,13 contrainte mécanique induite par le champ électrique. L’application d’une tension continue à une nanopointe génère un champ électrique de surface. Ce champ est écranté, comme expliqué dans la prochaine section, par une couche de charge surfacique. Il en résulte une force exercée par le champ sur l’échantillon. La tension mécanique et la contrainte s’échelonnent avec le carré du champ et du potentiel appliqués, de façon analogue à la force qui s’exerce sur les armatures d’un condensateur. La contrainte se transmet également vers la base de la pointe, et est approximativement égale à la tension mécanique totale exercée par le champ divisée par la section transversale de la pointe. La contrainte induite par le champ est un facteur limitant pour les analyses en SAT, car elle peut induire des fractures. Mais, dans l’avenir, elle pourrait être exploitée pour manipuler des états électroniques. Récemment, nous avons étudié le décalage spectral des raies de photoluminescence de 582 580 578 576 574 572 570 8 α + β (non perturbé) 7 6 5 4 3 2 1 V DC α V α’V β’V β V 16 kV 15 kV 13 kV 11 kV 9 kV 7 kV Longueur d’onde (nm) 2,14 2,15 2,16 2,17 2,18 Énergie du photon (eV) 4. Mesure par photoluminescence de la contrainte mécanique induite dans une pointe de diamant par une impulsion laser. (a) Principe de la mesure de la photoluminescence in situ dans une SAT. L’impulsion laser excite simultanément l’évaporation ionique et l’émission lumineuse des émetteurs contenus dans une pointe (dans cette illustration, des centres colorés dans une nano-aiguille de diamant). (b) La variation de la tension V DC appliquée à la pointe provoque une tension mécanique T et la séparation des composantes spectrales α v et β v de la raie principale du centre coloré NV 0. Le décalage spectral s’échelonne avec le carré de la tension appliquée, et rend possible la mesure de la contrainte qui perturbe l’émission du défaut. (Les raies α’v et β’v sont issues d’un deuxième centre coloré qui ressent une perturbation plus faible.) centres colorés contenus dans des nanopointes de diamant. En particulier, nous avons analysé le complexe neutre (NV 0) constitué par une impureté d’azote (N) substitutionnelle et une lacune (V). Lors de l’analyse des nanopointes, le faisceau laser peut être placé sur le sommet de la pointe (on reconnait cette position car c’est celle qui maximise l’évaporation ionique) ou bien en une autre position sur la pointe. La série de spectres acquis à des potentiels appliqués différents (fig. 4b) montre la séparation progressive de deux composantes, nommées α v et β v, dont le décalage spectral est proportionnel au carré du potentiel appliqué. Il est possible de remonter à la valeur de la contrainte à travers la relation contrainte-décalage spectral connue par la littérature. L’étude de ce décalage en fonction de la position de la tache laser d’excitation permet d’extrapoler les valeurs de la contrainte à l’apex même, qui sont proches du seuil de la relaxation plastique ( 10 GPa).
a b Prochainement, il sera possible d’effectuer des analyses SAT et µPL simultanément. D’un côté, ceci devrait permettre de dépasser les limites de résolution spatiale de la µPL  : la taille minimale d’un faisceau laser focalisé est de l’ordre de la centaine de nanomètres, mais l’évolution des spectres pendant l’évaporation permet en principe de distinguer les photons émis par des structures distantes de quelques dizaines de nanomètres. De l’autre, on pourra également étudier les variations de la signature optique d’un émetteur en fonction de sa distance de l’apex durant l’évaporation, ce qui devrait fournir une mesure plus précise de la contrainte mécanique et du champ de surface. Étude de l’interaction laser-pointe dans un champ électrique intense La SAT assistée par laser permet d’étudier l’interaction entre la lumière et une nanopointe dans un champ électrique intense. Pendant l’éclairement laser, l’énergie de la lumière est absorbée par l’échantillon, qui voit sa température augmenter. Le taux d’évaporation à l’instant t des atomes de surface (sous forme d’ions) suit une loi de 0 0 1 1,5x10 5 3x10 6 100 nm Bande interdite (eV) 2 3 4 5x10 6 2 1 0 100 nm o o type Arrhenius  : Φ(t) = Nν exp(-Q/k B T(t)), où N est le nombre d’atomes susceptibles de s’évaporer, Q la barrière d’énergie que l’atome neutre doit franchir pour passer à l’état ionisé, k B la constante de Boltzmannet ν la fréquence des phonons. Lorsque la température T(t) de l’échantillon évolue sous éclairement laser, le taux d’évaporation varie aussi dans le temps. Il est alors possible d’étudier l’absorption des nanopointes sous éclairement laser et leur dynamique d’échauffement et de refroidissement. C’est ainsi que la sonde atomique assistée par laser a été utilisée comme un outil de choix pour étudier l’optique et la thermique des nanopointes. Dans le cas des échantillons métalliques, les expériences de sonde atomique ont mis en évidence une auto-focalisation de l’absorption au bout de la pointe, qui peut également être modélisée par solution des équations de Maxwell (fig. 5a). La concentration de l’absorption sur une petite zone de l’échantillon est à l’origine de la dynamique de refroidissement rapide, mise en évidence sur des métaux comme le tungstène par des analyses résolues en temps à l’échelle de la picoseconde au sein de l’instrument. 0 Champ électrique externe E (V/Å) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 5 4 3 E Mg O Expérience 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 c Champ électrique interne (V/Å) d Images de la physique Champ externe E = 2,6 V/Å 5. Effet d’un champ électrique intense sur une pointe. (a-b) Cartes d’absorption calculées numériquement pour une nanopointe éclairée par laser. La direction de propagation du laser est perpendiculaire à la feuille, sa polarisation linéaire est orientée selon l’axe de la pointe, sa longueur d’onde est de 1030 nm pour une pointe d’aluminium (a) et de 515 nm pour une pointe de silicium (b). (c) Énergie de la bande interdite (E gap) calculée par une méthode ab initio dans le cas d’un agrégat d’oxyde de magnésium (MgO) comportant 27 atomes, sous l’action d’un champ électrique externe E. Lorsque le champ augmente, l’énergie E gap diminue. (d) Pour un champ électrique externe qui annule la bande interdite (2,6 V/Å), les atomes de magnésium vont s’évaporer par effet de champ. Dans le cas des matériaux non métalliques, le processus d’évaporation des atomes de surface reste un phénomène thermiquement activé, suite à l’absorption de l’énergie apportée par le laser. En revanche, la sonde atomique a permis de mettre en évidence que les propriétés d’absorption de ces matériaux sont fortement modifiées (en surface) par la présence du fort champ électrique statique. En particulier, dans le cas des matériaux ayant une bande interdite d’énergie E gap, la présence du champ statique réduit fortement la largeur de cette bande, jusqu’à l’annuler pour des champs équivalents aux champs d’évaporation (figures 5c et 5d). Ainsi, la sonde atomique a permis de montrer la « métallisation » sous champ intense des couches de surface des matériaux non métalliques. Cette métallisation est à l’origine du transfert d’énergie du laser, émettant dans le domaine visible, vers des matériaux transparents dans le visible comme le diamant, l’oxyde de magnésium ou la silice, qui sont analysés en sonde atomique en utilisant (par exemple) un laser vert. Le problème du transfert d’énergie vers les atomes évaporés reste d’ailleurs ouvert, mais des résultats intéressants ont été obtenus en étudiant les processus de dissociation des ions moléculaires ayant lieu Reflets de la Physique n°62 9



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