Étude par détection de photons des processus électroniques au sein d'une jonction tunnel dans un milieu moléculaire

Single-photon detection study of the electronic processes in a tunnel junction in a molecular environnement

¹ CEA Saclay, DSM/DRECAM/SPCSI, bâtiment 466, 91191 Gif-sur-Yvette, France.
² Adresse actuelle : Institut d'Optique Théorique et Appliquée, Université Paris-Sud, bâtiment 503, 91405 Orsay Cedex, France.

Résumé

La luminescence induite par STM (microscopie à effet tunnel) est une source d'informations d'une grande richesse sur les processus électroniques au sein d'un objet nanoscopique individuel. Nous nous sommes intéressés à une jonction Au/Au(111) sous vide puis dans un milieu moléculaire. L'étude sous vide a permis de montrer l'influence des variations spatiales des densités d'états de la surface.
L'émission à l'interface liquide-solide a été démontrée et le rôle de la fonction diélectrique du solvant mis en évidence. Nous avons ensuite étudié les corrélations temporelles entre les photons émis. Selon le liquide environnant la jonction, les photons peuvent être émis par paquets. Nous relions ce phénomène à la modification structurelle de la jonction induite par la présence d'une molécule et à la différence d'énergie entre ses orbitales frontières. Si elle est assez faible, des chemins tunnel résonants existent et les électrons traversent la barrière par paquets.
L'influence d'une couche auto-assemblée sur le substrat est étudiée. Des dérivés de triphénylènes interagissent trop faiblement avec Au(111), mais avec des alcanethiols chimisorbés, la résolution moléculaire est atteinte simultanément sur l'image STM et la carte de photons. Nous montrons que le contraste sur cette dernière provient de la modulation de l'extension spatiale à l'intérieur de la barrière des densités d'état locales due à la liaison S–Au. L'élaboration de multicouches organiques est alors envisagée pour observer l'électroluminescence d'une molécule unique, isolée du substrat par les thiols et étudier des corrélations d'origine électronique. Nous avons déjà caractérisé optiquement une telle couche de C₆₀.

Abstract

Analysis of the luminescence induced by a STM (scanning tunneling microscope) permits to get insights into the electronic processes taking place in a single nanoscopic tunnel junction. We studied a Au(111)/Au junction under vacuum (UHV) and immersed in a molecular medium. The study under UHV reveals the influence of spatial variations of surface local density of states (LDOS) on the luminescence.
The emission at the solid-liquid interface is characterized and the role played by the dielectric function is shown. Time correlations between the emitted single photons are then studied. Depending on the liquid immersing the junction, a photon bunching can occur. We link this bunching with structural changes of the junction induced by the presence of a diffusing molecule. If the HOMO–LUMO gap of the molecule is small enough, resonant tunnelling paths exist and tunnelling-electron bunching occurs.
Finally, the influence of a self-assembled monolayer on the substrate is investigated. Boundings between triphenylene derivatives and Au(111) are too weak, but with chemisorbed alcanethiols, molecular resolution is reached both on the STM image and on the photon map. We show that the contrast on photon map comes from the modulation of the LDOS spatial extension into the barrier due to the S–Au bond. The elaboration of organic multilayers is considered as a route for observing the electroluminescence of a single molecule, isolated from the substrate by thiols and to study correlations of electronic origin. We have already optically characterised such a layer using C₆₀.