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Résolution temporelle en champ proche

Produits reliés : UHFLI, UHF-BOX, UHF-AWG, MFLI, UHFAWG, HDAWG

Description de l'application

Les techniques de microscopies à sonde locale traditionelle (SPM) offrent une haute résolution spatiale au détriment d'une faible discrimination temporelle. La bande passante de détection d'un microscope à force atomique (AFM) dépasse rarement les 5 MHz, et la bande passante du préamplificateur d'un microscope à effet tunnel à très faible bruit (STM) descend encore plus bas, à quelques kHz, en raison des exigences en termes de gain d'amplification. Dans le domaine temporel, une modulation directe ou la simple acquisition rapide des données reste limitée par la bande passante de la détection et se traduit par une résolution temporelle de l'ordre de quelques millisecondes ou microsecondes, dans le meilleur des cas.

A partir de méthodes pompe-sonde appliquées dans d'autres domaines, il est possible de combiner le meilleur des deux techniques pour étudier les phénomènes transitoires sur de courtes échelles de temps ou pour capturer l'évolution temporelle d'objets nanométriques. La sonde SPM agit comme un filtre spatial où seule la fraction de la lumière réfléchie sous la pointe - ou la brève impulsion électrique transportée par la pointe - contribue à la force globale détectée, tandis que la résolution temporelle est déterminée uniquement par le laps de temps précis entre les impulsions de la pompe et de la sonde.

Stratégies de mesure

Les méthodes SPM résolues en temps sont différentes selon la source d'excitation - électrique ou optique - et le schéma de détection, à partir d'un préamplificateur de courant ou d'un photodétecteur. La stratégie de détection consiste à ajouter une fréquence de modulation lente qui moyenne la réponse de la sonde sur l'échelle de temps détectable par la bande passante de la sonde. Cela peut être réalisé avec un hacheur mécanique ou avec une fréquence de modulation AC supplémentaire entre la pointe et l'échantillon. À chaque impulsion de pompe, une valeur de retard est fixée entre la pompe et l'impulsion de sonde suivante, qui est ensuite moyennée sur de nombreuses périodes et démodulée par détection synchrone tel que le MFLI de Zurich Instruments, comme dans une spectroscopie optique pompe-sonde standard. En SPM résolue en temps, l'amplitude mesurée correspond à la réponse de la sonde pour le délai pompe-sonde choisi, qui est aussi résolu spatialement. En balayant ce délai, il est alors possible de reconstruire la courbe de décroissance du phénomène transitoire sur l'ensemble du processus de relaxation (voir figure).

Application Diagram for time resolved SPM using the Zurich Instruments UHFLI Lock-in Amplifier and AWG

Alors que les méthodes optiques offrent la plus haute résolution temporelle possible, jusqu'à la femtoseconde, les méthodes électriques peuvent être utilisées dans des contextes plus larges - de la résonance électronique de spin (ESR)-STM aux mesures KPFM résolues en temps - et sur une large gamme d'échelles de temps, de ms à sub-ns. Comme pour toutes les techniques pompe-sonde, la résolution temporelle ne dépend pas de la bande passante du détecteur, mais uniquement de la durée de chaque impulsion et du délai entre la pompe et la sonde.

L'avantage des méthodes de pompe-sonde électrique est que tous les signaux peuvent être produits directement depuis un générateur d'ondes arbitraires tel que le HDAWG ou le UHFAWG de Zurich Instruments, ce dernier pouvant également accueillir une détection synchrone pour la mesure. Le fait de disposer d'un instrument permettant de contrôler une large gamme de paramètres - largeur d'impulsion, taux de répétition, fréquence de la porteuse, retard et vitesse de balayage des retards - à partir d'un générateur d'ondes arbitraires (AWG) avec détection intégrée ou en combinaison avec une détection synchrone facilite la mise en œuvre de la manipulation SPM complète.

Pourquoi choisir Zurich Instruments

  • Les outils d'analyse dans les domaines temps-fréquence disponibles depuis LabOne® vous permettent de vérifier que votre signal est optimisé et parfaitement synchronisé avec le résonateur mécanique de l'AFM ou avec le courant tunnel du STM.
  • Pour aller plus loin, combinez la détection dans le domaine fréquentiel (avec des mesures de détection synchrone) et la détection dans le domaine temporel (avec des mesures de type boxcar) dans un seul instrument, en utilisant l'UHFLI avec l'option UHF-BOX, afin d'extraire un maximum d'information des variations du signal ou de discriminer différents trains d'impulsions avec ou sans illuminations (voir la première publication ci-dessous).

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Publications

Schumacher, Z., Spielhofer, A., Miyahara, Y. & Grutter, P.

The limit of time resolution in frequency modulation atomic force microscopy by a pump-probe approach

Appl. Phys. Lett. 110 053111 (2017)

Murawski, J. et al.

Tracking speed bumps in organic field-effect transistors via pump-probe Kelvin-probe force microscopy

J. Appl. Phys. 118, 244502 (2015)

Loth, S., Etzkorn, M., Lutz, C.P., Eigler, D.M. & Heinrich, A.J.

Measurement of Fast Electron Spin Relaxation Times with Atomic Resolution

Science 329, 1628-1630 (2010)

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