Microscope à effet tunnel
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Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981 par des chercheurs d'IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui reçurent le Prix Nobel de physique pour cette invention en 1986. C'est un microscope en champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) proche. Le microscope à effet tunnel (Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981 par des chercheurs d'IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer,...) utilise un phénomène quantique, l'effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique. Généralement, la fonction d'onde d'une particule, dont le carré du...), pour déterminer la morphologie et la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure...) d'états électroniques de surfaces conductrices ou semi-conductrices avec une résolution spatiale pouvant être égale ou inférieure à la taille des atomes.

Principe de fonctionnement

Schéma de principe du microscope à effet tunnel
Schéma de principe du microscope à effet tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de construction les...)

Il s'agit, pour simplifier, d'un palpeur (une pointe) qui suit la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) de 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 qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...). La pointe balaie (scanne) la surface à représenter. Un ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un...) ajuste (via un système d'asservissement) en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) de la pointe pour maintenir un courant constant (courant tunnel) et enregistre cette hauteur qui permet de reconstituer la surface.

Pour cela, avec un système de positionnement (Les systèmes de géopositionnement satellitaires sont des ensembles composés d’une constellation de satellites artificiels en orbite autour de la Terre et de...) de grande précision (réalisé à l'aide de piézoélectriques), on place une pointe conductrice en face de la surface à étudier et l'on mesure le courant résultant du passage d'électrons entre la pointe et la surface par effet tunnel (les électrons libres du métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins....) sortent un peu de la surface, si l'on se met très près sans pour autant la toucher (Le toucher, aussi appelé tact ou taction, est l'un des cinq sens de l'homme ou de l'animal, essentiel pour la survie et le développement...), on peut enregistrer un courant électrique). Dans la plupart des cas, ce courant dépend très rapidement (exponentiellement) de la distance séparant la pointe de la surface, avec une distance caractéristique de quelques dixièmes de nanomètres. Ainsi, on fait bouger la pointe au dessus de 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 domaines :) avec un mouvement de balayage et on ajuste la hauteur de celle-ci de manière à conserver une intensité du courant tunnel constante, au moyen d'une boucle de rétroaction. On peut alors déterminer le profil de la surface avec une précision inférieure aux distances interatomiques.

Mais souvenons-nous que l'on a une image de synthèse, pas une " photographie " des atomes.

Détails techniques

Propriétés mécaniques

Pour obtenir une bonne résolution, il est nécessaire que les perturbations extérieures ne puissent modifier la distance pointe-surface (celle-ci ne doit pas varier de plus de quelques dixièmes d'ångströms). Pour cette raison, les microscopes sont petits (quelques centimètres) et construits dans des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) très rigides. De plus, il est indispensable, dans la plupart des cas, d'utiliser un système d'amortissement pour l'isoler des vibrations extérieures.

Système de positionnement (On peut définir le positionnement comme un choix stratégique qui cherche à donner à une offre (produit, marque ou enseigne) une position crédible,...)

Le seul moyen d'atteindre la précision suffisante pour le positionnement est d'utiliser des céramiques piézoélectriques. En fait, c'est ce point (Graphie) qui a retardé l'invention de l'appareil car l'idée existait depuis les années 60, mais aucun système de positionnement adapté n'existait alors.

Le positionnement se fait par application de différence de potentiels sur les céramiques piezoélectriques qui ont la propriété de se déformer de façon contrôlée sous l'effet d'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 exercée à distance par des particules chargées électriquement.).

Électronique

Les courants à mesurer étant de très faible intensité (quelques nA, voire quelques pA), un système électronique d'amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) est indispensable.

La pointe

Les propriétés de la pointe sont critiques pour les performances de l'instrument. De ce fait, différents types de pointes sont utilisés selon la nature de la surface étudiée et l'information recherchée.

Tant que la surface est approximativement plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle d'un couteau, munie de deux poignées, à chaque extrémité de la...) à l'échelle atomique, la variation très rapide du courant tunnel avec la distance pointe-surface fait que seul 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...) de la pointe le plus proche de la surface importe. Dans ce cas, la forme de la pointe n'a pas d'influence sur la résolution. En revanche, si la surface est accidentée, la forme de la pointe va limiter la résolution et il est alors indispensable d'utiliser une pointe très fine et donc d'utiliser un 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 en...) dur comme le tungstène (Le tungstène est un élément chimique du tableau périodique de symbole W (de l'allemand Wolfram) et de numéro atomique 74.) (W) ou le platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) iridié (Pt/Ir).

Une autre difficulté provient du fait que la plupart des surfaces se recouvrent très rapidement d'une couche oxydée de quelques dizaines d'ångströms d'épaisseur, invisible dans la vie (La vie est le nom donné :) courante mais qui empêche le passage du courant tunnel. Il existe deux moyens de contourner ce problème :

  • utiliser un métal noble qui ne s'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde...) pas, comme l'or ou le platine iridié,
  • faire fonctionner le microscope sous vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) ou dans une atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.) (diazote, hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point...), ...) et préparer la pointe in situ, c'est-à-dire dans la même enceinte.

Par ailleurs, en utilisant des pointes particulières, il est possible d'accéder à des informations telles que la nature chimique ou les propriétés magnétiques de la surface.

Historique

En 1990, le microscope à effet tunnel a permis à des chercheurs d'IBM (International Business Machines Corporation (IBM) est une société multinationale américaine présente dans les domaines du matériel informatique, du logiciel et des services informatiques.) d'écrire les premières lettres de l'histoire des nanotechnologies en disposant 35 atomes de xénon (Le xénon est un élément chimique, de symbole Xe et de numéro atomique 54. Le xénon est un gaz noble, inodore et incolore. Dans une lampe à décharge, il émet une lumière bleue.), sur une surface de nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.), ces 35 atomes dessinant les trois lettres IBM.

Limitations

La 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 invisibles à l'œil nu, soit par...) à effet tunnel nécessite d'avoir un échantillon conducteur d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la...). Si l'échantillon est isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants...), on utilise une technique proche, la microscopie à force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale »...) atomique. Par ailleurs le microscope à effet tunnel ne permet de voir seulement les nuages électroniques des atomes. Ainsi une matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) amorphe, (non cristalline) ne peut être observée à la résolution atomique.

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