Axe principal: Electronique moléculaire et quantique (EMQ) Axes secondaires : Nanocaractérisation et instrumentation (NCI) Pôle de recherche en métrologie avancée Laboratoire National de métrologie et d Essais (LNE-Trappes) 29 avenue Roger Hennequin 78197 Trappes cedex http://www.lne.fr Responsable d équipe : Contact C nano de l équipe Piquemal François François PIQUEMAL francois.piquemal@lne.fr Membres permanents de l équipe : Alexandre BOUNOUH Laurent DEVOILLE Sophie DJORDJEVIC Sébastien DUCOURTIEUX Nicolas FELTIN Pierre GOURNAY Wilfried POIRIER Benoit POYET Félicien SCHOPFER Olivier SERON Olivier THEVENOT alexandre.bounouh@lne.fr laurent.devoille@lne.fr sophie.djordjevic@lne.fr sebastien.ducourtieux@lne.fr nicolas.feltin@lne.fr pierre.gournay@lne.fr wilfrid.poirier@lne.fr benoit.poyet@lne.fr felicien.schopfer@lne.fr olivier.seron@lne.fr olivier.thevenot@lne.fr Activités scientifiques de l équipe : Les activités scientifiques du pôle de recherche en métrologie avancée du LNE s articulent sur trois axes : 1) La poursuite des travaux sur le système international d unités (SI) en vue de contribuer à la refonte de celui-ci au travers notamment d une redéfinition du kilogramme et de l ampère. L équipe contribue ainsi à la détermination de
constantes fondamentales telles que la constante de Planck, la constante de structure fine et la charge élémentaire. L expérience du triangle métrologique et des tests d universalité sur l effet Hall quantique sont également menés ; 2) Le développement de nouveaux étalons à partir de dispositifs nanostructurés et le développement de l instrumentation associée, pour les besoins de la métrologie, de l industrie et de la recherche. Il s agit en particulier de développer de nouvelles références quantiques en vue de la mise en pratique des nouvelles définitions des unités électriques. Il convient aussi d aller au-delà et d anticiper de nouveaux sujets qui feront la métrologie quantique de demain; 3) Le développement d une métrologie au service des nanotechnologies. Il est question ici de rassembler et développer les instruments nécessaires pour la mesure des propriétés physico-chimiques des nano-objets et des performances des matériaux nanostructurés. L objectif est aussi de créer des chaînes de traçabilité au SI indispensables pour rendre reproductibles, comparables et fiables les mesures à l échelle du nanomètre. Recherche(s) et résultat(s) obtenu(s) dans les domaines d actions des nanosciences : Effet Hall quantique dans le graphène Nous avons exploré les propriétés de l effet Hall quantique (EHQ) dans des monocouches et bicouches de graphène exfolié avec les outils métrologiques. Dans ces systèmes, l exactitude de la quantification de la résistance de Hall était limitée à quelques 10-7 en valeur relative. Nous projetons d étudier l EHQ dans les graphènes, épitaxié sur SiC et obtenu par CVD, qui semblent plus prometteurs pour développer un étalon quantique de résistance. Effet Hall quantique dans une bicouche de graphène exfolié et déposé sur SiO 2 /Si Résistance de Hall sur le plateau ν = -4
Mise en oeuvre d un AFM métrologique AFM métrologique du LNE Développement d un L AFM métrologique (mafm) qui représente la pierre angulaire de toute la chaîne de traçabilité à l échelle du nanomètre. Dans le cadre du SI, il permet de raccorder les mesures dimensionnelles de tous les microscopes en champs proche qui ont été étalonnés et de rendre leurs résultats de mesure traçables, comparables et exploitables par l ensemble de la communauté. Il existe dans le monde une vingtaine de mafms. L instrument sera totalement caractérisé au début de l année 2012 et est d ores et déjà intégré dans la plateforme CARMEN de caractérisation métrologique des nanomatériaux. Réseau étalon (VSLI) pour l étalonnage des AFMs Pas=1,802 µm et hauteur=41,3 nm Programme de recherche : Détermination de R K et de la constante de structure fine α Développement d un étalon calculable de capacité Thompson-Lampard et de la chaîne de mesure d impédances associée pour tester la validité de la relation R K = h/e 2 avec une incertitude de 1 10-8. Effet tunnel à un électron et triangle métrologique quantique (TMQ) Etude de dispositifs monoélectroniques (pompe à électrons, tourniquet hybride SINIS ) pour la réalisation d étalon quantique de courant en vue de la fermeture du triangle métrologique et d une détermination de la charge élémentaire à un niveau d incertitude cible de 1 10-8. Effet Hall quantique et métrologie à base de graphène Test d universalité de l effet Hall quantique (EHQ) avec une incertitude relative meilleure que 1 10-10 ; Etude sur l EHQ anormal du graphène ; Développement de nouveaux étalons quantiques de résistance à partir de réseaux de barres de Hall connectées «on chip» (réseaux QHARS) ; Développement d applications métrologiques novatrices fondées sur l utilisation du graphène (capteurs THz, capteur chimique, magnétisme) ; Instrumentation métrologique
Comparateurs cryogéniques de courants pour les ponts de résistances et les systèmes d amplification de très faibles courants. Dispositif de mesure pour la caractérisation métrologique de dispositifs monoélectroniques. Micro et nano systèmes électromécaniques Développement de circuits à base de MEMS ou NEMS pour l instrumentation miniaturisée en métrologie électrique ; développement de références de tensions en courant continu et alternatif, de capteurs de puissance dans le domaine des radiofréquences et microonde. Caractérisation métrologique des nanomatériaux Réalisation d une plateforme de caractérisation métrologique des nano-objets en environnement contrôlé. Le cœur de cette plate-forme est constitué de microscopes AFM et MEB raccordés à un AFM dit métrologique, instrument de référence au niveau national. Une instrumentation complémentaire est en cours d installation afin de pouvoir mesurer, à termes, les principaux paramètres caractérisant un nanoobjet : taille, forme, polydispersité, composition chimique, structure cristallographique, état d agglomération/agrégation, état de surface Développement d une chaîne de traçabilité des instruments de mesure à sonde locales spécifiques aux grandeurs électriques (intensité de courant et impédance). Références : - Bounouh A. et al, MEMS AC voltage reference for miniaturized instrumentation and metrology, Computer Standards and Interfaces Journal, 33, 2011, pp. 159-164. - Bounouh A. and Bélières D., New approach in ac voltage references based on micronanosystems», Metrologia, 48, 2011, pp. 40-46. - Gournay P., Thévenot O., Dupont L., David J.M., Piquemal F., Toward a determination of the fine structure constant at LNE by means of a new Thompson-Lampard calculable capacitor, Canadian Journal of Physics, Volume 89 ; Issue 1 ; January 2011; p169-176. - Sassine S., Steck B., Feltin N., Devoille L., Chenaud B., Poirier W., Schopfer F., Spengler G., Djordjevic S., Séron O., Piquemal F., Lotkhov S., The Quantum Metrological Triangle Experiment: quantization tests of an electron pump", Revista Controle & Automaçao, vol.21, pp.609-615, Novembro e decembro 2010. - Bounouh A., Blard F., Camon H., Belieres D., «Development of Electromechanical Architectures for ac voltage metrology», Sensors & Transducers Journal, 123-2, 2010, pp. 1-15 - Bounouh A., Allal D., «Constitution d un laboratoire de référence en métrologie dans le domaine électricité-magnétisme», Revue techniques de l Ingénieur, R925v2, juin 2010 - Piquemal F., Quantum electrical standards, Handbook of Metrology, Wiley, 2010. May 2010 - Poirier W and Schopfer F, «Can graphene set new standards, nature nanotechnology, 5, March 2010, p 171-172 - Solve S., Chayrami R., Djordjevic S., Seron O., Comparison of the Josephson voltage standards of the LNE and the BIPM (part of the ongoing BIPM key comparison BIPM.EM- K10.b) Metrologia 46 01002 2009 - Feltin N, Piquemal F., «Determination of the elementary charge and quantum metrological triangle», European Physical Journal Special topics, Quantum Metrology
and Fundamental constants, François Piquemal and Beat Jeckelmann (Eds), EPJ-ST, 172, 267-296, June 2009 - Poirier W., Schopfer F., Ohm metrology based on quantum Hall effect, European Physical Journal Special topics, European Physical Journal Special topics, Quantum Metrology and Fundamental constants François Piquemal and Beat Jeckelmann (Eds), EPJ-ST, 172, 207-246, June 2009 - Consejo C., Thévenot O., Lahousse L., David J.M., Piquemal F. «Measurement chain improvements for a determination of the von Klitzing constant RK», IEEE T.I.M. special Issue CPEM 08, mai 2009 - Poirier W., Schopfer F., Quantum Hall effect and Ohm metrology, Int. Journal of Mod. Phys. B. Worlds Scientific Publishing Company, 2009 - Piquemal F. and Jeckelmann B., Editorial, European Physical Journal Special topics, Quantum Metrology and Fundamental constants, EPJ-ST, 172, 1-408, June 2009