Sonde atomique tomographique
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La Sonde atomique tomographique est une technique d'analyse qui entre dans la catégorie plus vaste des microscopes à effet de champ (field emission microscope) et qui consiste à ioniser des atomes d'un échantillon cristallin, à les arracher par un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence...) très puissant, et à détecter leur point (Graphie) d'impact. Alors, connaissant la forme du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique, on peut savoir où se trouvait l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) sur le cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union...), et donc en déduire des informations sur la structure de celui-ci.

Échantillon

principe du microscope à effet de champ : l'objet, taillé en pointe très fine, est décomposé par un champ électrique
principe du microscope à effet de champ : l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et...), taillé en pointe très fine, est décomposé par un champ électrique

Il faut créer un champ électrique suffisamment puissant pour ioniser des atomes et les arracher. La manière la plus simple consiste à utiliser l'effet de pointe : lorsque l'on établit une différence de potentiel entre un objet et une paroi, le champ électrique à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...) de l'objet sera d'autant plus puissant que le rayon de courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet...) est faible (c'est d'ailleurs pour cette raison que les paratonnerres sont pointus).

Il faut donc que l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents...) soit fait d'une matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée...) conducteur (couramment un métal), et y tailler une pointe la plus fine possible (quelques dizaines de nanomètres, soit environs 0,000 01 mm). Ceci se fait souvent par dissolution électrolytique (en gros, c'est le principe d'une attaque acide).

Résultats

On obtient une " photographie " des impacts des ions, et à partir de la position des impacts, on en déduit la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) de l'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par « allant, qui...) donc son point de départ.

La première utilisation à consisté à faire s'adsorber (fixer) des atomes d'argon sur la surface. C'était ces atomes qui étaient ionisés et arrachés. On a pu donc savoir à quel endroit de la surface les ions étaient adsorbés, et donc avoir accès à la structure de la surface, ou bien confirmer le modèle d'adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon divers processus plus ou moins...).

En faisant s'arracher les atomes du cristal eux-mêmes, on peut recomposer la structure du cristal, et si un joint de grain (En météorologie maritime: Un grain est un vent violent et de peu de durée qui s'élève soudainement et qui est généralement accompagné de précipitations. Il se produit généralement au passage d'une ligne d'orages. Voir aussi :...) ou une dislocation (En science des matériaux, une dislocation est un défaut linéaire correspondant à une discontinuité dans l'organisation de la structure cristalline. Une dislocation peut être vue simplement...) se trouve dans la pointe, on peut recomposer la structure du défaut. La préparation d'une pointe nanométrique contenant un joint ou une dislocation est très aléatoire, et nécessite beaucoup de soin. On contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) la position du défaut en cours d'élaboration par microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments...) électronique en transmission (MET)

Un progrès important est intervenu en mesurant le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de vol des ions, car cela permet de plus l'analyse chimique des ions (spectromètrie de masse) — on parle alors de sonde atomique tomographique (La Sonde atomique tomographique est une technique d'analyse qui entre dans la catégorie plus vaste des microscopes à effet de champ (field emission microscope) et qui consiste à ioniser des atomes d'un échantillon cristallin,...)[1] (tomographic atom probe, TAP). Il est maintenant possible de savoir quel type d'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...) est présent à tel endroit du cristal, ce qui permet de voir par exemple la ségrégation d'atomes étrangers aux joints de grain ainsi qu'autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) d'une dislocation (atmosphère de Cottrell). Du fait que de nombreux ions sont " perdus " en route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.), on n'a une résolution spatiale limitée et les résultats sont " statistiques ", il faut donc que les atomes étrangers soient en proportion " notable ", et on ne peut pas voir par exemple les lacunes (atome manquant dans le cristal).

Cette technique permet de composer une image à trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...) du cristal et de ses défauts par ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de...), mais c'est une image de synthèse, pas une image enregistrée.

Notes

  1. tomographie : procédé permettant d'avoir des coupes de l'objet ; dans notre cas, recomposition d'une image 3D permet de faire des coupes 2D

Bibliographie

  • M.K.Miller et al., Atom Probe Field Ion Microscopy, Clarendon Press, 1996, reed 2006, ISBN 0-19-851387-9
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