Institut des
NanoSciences de Paris
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STM UHV 300mK « M3 »

Fruit de près de 9 ans de développement, notre dernier dispositif, « M3 », est en service depuis juillet 2008.

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L’originalité de M3 réside dans la conjonction de ces 4 spécifications techniques :

  • un microscope STM compact, muni d’une large platine de déplacement xy (3mm), compatible au standard de porte-échantillons omicron ;
  • un environnement ultra-vide (10-11mbar) permettant la préparation et la caractérisation d’échantillons in-situ ;
  • une température de 300mK avec une grande autonomie (48h) permettant d’augmenter la résolution spectroscopique du microscope et l’étude de supraconducteurs à basse Tc ;
  • un fort champ magnétique : 8Tesla

M3 est principalement constitué de 2 chambres UHV : la chambre de préparation et la chambre STM, qui est directement connectée au dispositif cryogénique contenant la bobine magnétique. Les deux chambres ainsi que le cryostat reposent sur un châssis rigide supporté par 3 pieds antivibrations.
L’architecture de M3 est dite « top loading », c’est à dire que le chargement du microscope dans le cryostat s’effectue par le haut, ce qui a pour avantage d’abaisser le centre de gravité de l’ensemble. Le STM est fixé à une canne cryogénique munie de multiples écrans thermiques permettant de le descendre dans le cryostat sous ultra-vide.

La chambre de préparation
Connectée à un sas d’introduction rapide, elle est équipée des éléments suivants :
  • un canon à ion ;
  • un triple évaporateur à bombardement électronique + balance à quartz ;
  • un analyseur LEED/Auger ;
  • un spectromètre de masse ;
  • une canne de transfert (autorisant une rotation de 360°) munie d’un four résistif et d’un système de chauffage par courant direct permettant de chauffer les échantillons jusqu’à 1300°C ;
  • un « cryopot » auquel vient se connecter la canne de transfert par un cône et une tresse en cuivre permettant, une fois rempli d’azote liquide, de refroidir l’échantillon jusqu’à environ -150°C.

 

La chambre STM
Elle comporte un carrousel permettant de stocker jusqu’à 6 échantillons et 6 pointes sous UHV, et dispose également d’un « cryopot » à azote liquide. Ce lui-ci permet de refroidir un écran de cuivre dans lequel vient se positionner le microscope pour le (dé-)chargement des échantillons et des pointes et effectuer l’approche en mode tunnel. Un cliveur est également fixé à ce « cryopot » permettant de cliver les échantillons jusqu’ à -150°C.

 

Le microscope à effet tunnel
La tête du microscope a été conçue pour accueillir des porte-échantillons au standard Omicron, largement répandus dans la communauté. Une platine xy montée sur stacks piézoélectriques permet de déplacer l’échantillon latéralement avec une grande précision sur près de 3 millimètres à température ambiante, ce qui est très utile pour positionner des échantillons de quelques dixième de millimètre face à la pointe. Monté très rigide pour minimiser les vibrations mécaniques, le microscope est aussi très compact, ce qui assure l’homogénéité des forts champs magnétiques appliqués lors des expériences à basse température.

 

Le dispositif cryogénique 300mK

Le dispositif cryogénique de M3 est constitué d’un cryostat Oxford Instruments à Helium4 super-isolé, équipé d’une bobine supraconductrice pouvant produire un champ magnétique vertical de 8Tesla à 4,2K (10Tesla à 2,2K via la « lambda plate ») , et d’un insert UHV à Helium3, concu par Dimitri Roditchev avec la société Ice Oxford permettant d’atteindre les très basses températures.
L’insert He3 et du type « single shot » : l’Helium 3 gazeux est tout d’abord condensé sur les parois d’un pot refroidi à 1K par pompage de l’He4 liquide provenant du cryostat principal. L’helium3 devenu liquide tombe au fond de l’insert, puis le bain est alors pompé par une pompe à sorbtion, abaissant sa température jusqu’à 300mK. Les parois de ce bain d’He3 refroidissent alors par simple contact le microscope maintenu dans l’environnement UHV.

 

Le contrôle de la condensation de l’Helium3 lors d’un tir nécessite une mesure précise de la température du pot 1K et plus généralement de l’ensemble des éléments refroidis. Des capteurs de température spécifiques (Cernox) sont utilisés pour mesurer dans cette gamme et dans des champs magnétiques intenses. Un interfaçage sous Labview permet de contrôler la température du système à distance lors des expériences.