Contrôle de la charge de nano-îlots d'or par NC-AFM

lundi 12 mars 2018

Des nano-îlots d'or déposés sur un substrat isolant (SiO2) ont pu être chargés en microscopie à force atomique en mode non contact (NC-AFM). L'injection de charge se fait par émission de champ depuis la pointe vers le nano-îlot d'or ou inversement. La modélisation de ce phénomène a permis de montrer que la charge injectée est contrôlable à l'électron près.

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Image de la topographie et du potentiel Kelvin d'un nano-îlot d'or sur SiO2 avant (a,b) et après (d,e) la charge.
(c) Spectroscopies ?f (V) mesurées sur l'îlot montrant l'injection d'électrons. La courbe aller en bleue est enregistrée avant la courbe retour en rouge.
© CEMES-CNRS

Des îlots métalliques 2D déposés sur un substrat isolant pourraient être utilisés comme réservoirs d'électrons pour créer des contacts électriques avec une molécule ou un nanoruban de graphène. L'enjeu consiste à contrôler et stabiliser la charge d'un nanocristal métallique pendant un temps suffisamment long pour pouvoir visualiser le transfert de charge vers une molécule. Ce défi a été relevé en utilisant la pointe d'un microscope NC-AFM pour injecter sans contact des charges de manière contrôlé dans des nano-îlots d'or synthétisés ex-situ en milieu liquide, puis déposés sur un substrat isolant de SiO2. La technique utilisée pour imager ces nano-plaquettes est la microscopie à force atomique en mode non contact (NC-AFM) fonctionnant sous ultra vide (UHV) [1] et couplée à la sonde de Kelvin (KPFM), permettant la caractérisation de la charge (voir figure) [2,3]. Nos résultats montrent que la charge de ces îlots métalliques est injectée par émission de champ à partir de la pointe AFM, et qu'elle peut être contrôlée avec précision à partir des courbes de spectroscopie Δf(V) telles que celle présentées sur la figure (c). La procédure de charge fonctionne pour les deux types de polarités, les électrons pouvant être émis de la pointe vers l'îlot ou inversement. Le modèle analytique et les simulations numériques montrent un effet non linéaire autour d'une tension seuil, au delà de laquelle le courant de charge est constant. Cette méthode peut être utilisée pour définir le potentiel de l'îlot avec une précision de l'ordre de 10 mV, correspondant au transfert d'un seul électron. La modification du potentiel électrostatique ouvre la voie à des expériences originales, telles que l'étude du transfert de charges à travers un fil moléculaire reliant deux réservoirs de potentiels différents ou l'exploration local des mécanismes de fuite de charge à travers une couche isolante.

  1. F. J. Giessibl, Rev. Mod. Phys. 75, 949 (2003).
  2. M. Nonnenmacher, M. P. O'Boyle, and H. K. Wickramasinghe, Appl. Phys. Lett. 58, 2921 (1991).
  3. Shin'ichi Kitamura and Masashi Iwatsuki, Appl. Phys. Lett. 72, 3154 (1998).

Référence

Bulent BARIS, Mohanad ALCHAAR, Janak PRASAD, Se?bastien GAUTHIER, Erik DUJARDIN, and David MARTROU "Controlling the electric charge of gold nanoplatelets on an insulator by field emission nc-AFM" (editors-pick), Applied Physics Letters, 112, 113101 (2018)
https://doi.org/10.1063/1.5020350

Contact

David MARTROU, CEMES (CNRS)
dmartrou chez cemes.fr

 

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