Microscope à effet tunnel - Définition
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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 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
Le seul moyen d'atteindre la précision suffisante pour le positionnement est d'utiliser des céramiques piézoélectriques. En fait, c'est ce point 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(s) de potentiel(s) sur les céramiques piezoélectriques qui ont la propriété de se déformer de façon contrôlée sous l'effet d'un champ électrique.
Électronique
Les courants à mesurer étant de très faible intensité (quelques nA, voire quelques pA), un système électronique d'amplification 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 à l'échelle atomique, la variation très rapide du courant tunnel avec la distance pointe-surface fait que seul l'atome 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 dur comme le tungstène (W) ou le platine 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 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 pas, comme l'or ou le platine iridié,
- faire fonctionner le microscope sous vide ou dans une atmosphère inerte (diazote, hélium, ...) 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.
Limitations
La microscopie à effet tunnel nécessite d'avoir un échantillon conducteur d'électricité. Si l'échantillon est isolant, on utilise une technique proche, la microscopie à force atomique (AFM pour Atomic Force Microscope). Par ailleurs, le microscope à effet tunnel ne permet de voir seulement que les nuages électroniques des atomes. Ainsi, une matière amorphe (non cristalline) ne peut être observée à la résolution atomique.
