Microscope à effet tunnel

Le microscope à effet tunnel fut découvert en 1981 par des chercheurs d'IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui reçurent le prix Nobel de physique pour cette invention en 1986.


Catégories :

Microscope - Science des matériaux

Recherche sur Google Images :


Source image : linternaute.com
Cette image est un résultat de recherche de Google Image. Elle est peut-être réduite par rapport à l'originale et/ou protégée par des droits d'auteur.

Page(s) en rapport avec ce sujet :

  • Un microscope à effet tunnel est constitué de deux électrodes de conductivité raisonnable dont l'une a la forme d'une pointe et l'autre est la surface du ... (source : iramis.cea)
  • Une molécule, "posée" sur une surface et stimulée par la pointe du microscope à effet tunnel, pourra peut-être un jour effectuer à une échelle miniaturisée... (source : cnrs)
  • distance à la surface. Le microscope à effet tunnel. • L'effet tunnel. • Le microscope. • L'approche mécanique. • La pointe. • Le piézoélectrique... (source : student.ulb.ac)
Photographie d'un microscope à effet tunnel (STM).
Atomes de silicium à la surface d'un cristal de carbure de silicium (SiC). Image obtenue avec un STM.

Le microscope à effet tunnel (en anglais, Scanning Tunneling Microscope : STM) fut découvert 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 proche qui utilise un phénomène quantique, l'effet tunnel, pour déterminer la morphologie et la densité 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

Il s'agit, pour simplifier, d'un palpeur (une pointe) qui suit la surface de l'objet. La pointe balaie (scanne) la surface à représenter. Un ordinateur ajuste (via un dispositif d'asservissement) en temps réel la hauteur de la pointe pour maintenir un courant constant (courant tunnel) et enregistre cette hauteur qui sert à reconstituer la surface.

Pour cela, avec un dispositif de positionnement de grande précision (réalisé avec piézoélectriques), on place une pointe conductrice en face de la surface à étudier et on mesure le courant résultant du passage d'électrons entre la pointe et la surface par effet tunnel (les électrons libres du métal sortent légèrement de la surface, si on se met particulièrement près sans pour tout autant la toucher, on peut enregistrer un courant électrique). Dans la majorité des cas, ce courant dépend particulièrement 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 avec un mouvement de balayage et on ajuste la hauteur de celle-ci de façon 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.

Détails techniques

Propriétés mécaniques

Pour obtenir une bonne résolution, il est indispensable que les perturbations extérieures ne puissent modifier la distance pointe-surface (celle-ci ne doit pas fluctuer de plus de quelques dixièmes d'ångströms). Pour cette raison, les microscopes sont petits (quelques centimètres) et fabriqués dans des matériaux particulièrement rigides. Qui plus est , il est indispensable, dans la majorité des cas, d'utiliser un dispositif 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 réalité, c'est ce point qui a retardé l'invention de l'appareil car l'idée existait depuis les années 60, mais aucun dispositif 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, ou alors quelques pA), un dispositif électronique d'augmentcation est indispensable.

La pointe

Gros plan de la tête d'un microscope à effet tunnel de l'Université de St Andrews et utilisant une pointe en Platinum-Iridium.

Les propriétés de la pointe sont critiques pour les performances de l'instrument. Par conséquent, 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 particulièrement 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. Par contre, si la surface est accidentée, la forme de la pointe va limiter la résolution et il est alors indispensable d'utiliser une pointe particulièrement fine et par conséquent d'utiliser un matériau dur comme le tungstène (W) ou le platine iridié (Pt/Ir).

Une autre difficulté provient du fait que la majorité des surfaces se recouvrent particulièrement 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 :

D'autre part, en utilisant des pointes spécifiques, il est envisageable d'accéder à des informations telles que la nature chimique ou les propriétés magnétiques de la surface.

Historique

Des expériences démontrant avec succès la dépendance entre la distance pointe-échantillon et le courant induit par effet tunnel furent réalisées le 18 mars 1981 dans les laboratoires d'IBM à Rüschlikon (Suisse). Les physiciens allemand Gerd Binnig et suisse Heinrich Rohrer qui réalisèrent ces expériences et qui plus tard mirent au point le microscope à effet tunnel, furent récompensés pour cela par le prix Nobel de physique en 1986. Christian Gerber et E. Weibel prirent aussi part à ces expériences dans une moindre mesure.

Cependant, des travaux antérieurs dans ce domaine avaient déjà démontré des aspects essentiels du STM, et surtout l'existence d'un courant électrique lié à l'effet tunnel[1]. Suite à ces résultats, durant les années 70, un appareil baptisé le topografiner fut développé par le groupe de Russel Young au NBS (National Bureau of Standards, Gaithersburg, Md, USA). Mais ils durent faire face à des difficultés techniques (vibrations importantes limitant la résolution du dispositif) et bureaucratiques. Il est vraisemblable que sans ces dernières, Russell Young eut été colauréat du prix Nobel donné en 1986. Le Comité Nobel reconnut dans son discours l'importance et la valeur de ces réalisations.

Le microscope à effet tunnel est le père de l'ensemble des autres microscopes en champ proche. À sa suite furent développés le microscope à force atomique (AFM) et le microscope optique en champ proche qui tirent profit d'autres interactions à l'echelle atomique. La mise au point de ces microscopes en champ proche fut un pas décisif dans le développement des nanotechnologies étant donné qu'ils permirent d'observer et même de manipuler de manière assez simple et pour un coût assez modeste des objets de taille nanométrique (c'est-à-dire de taille inférieure aux longueurs d'onde de la lumière visible, de 400 à 800 nm). En 1990, le microscope à effet tunnel a surtout permis à des chercheurs d'IBM d'écrire les premières lettres de l'histoire des nanotechnologies en disposant 35 atomes de xénon sur une surface de nickel, ces 35 atomes dessinant les trois lettres IBM.

De plus, le miscroscope à effet tunnel contribua de manière éclatante à l'illustration de la mécanique quantique. Au début des années 1990, on put fabriquer et mesurer les «enclos quantiques» (en anglais quantum corrals). Ces enclos quantiques sont des dispositifs quantiques de formes géométriques simples déposés sur des surfaces. A l'aide de ces enclos, on put représenter de manière particulièrement imagée l'ressemblance entre les ondes de matière associées aux électrons et les ondes à la surface de l'eau, une confirmation directe de la mécanique quantique dans l'espace réel qui n'était pas envisageable jusqu'alors. Les images de ces enclos quantiques ont depuis fait le tour du monde : ce sont les images de STM les plus reprises dans les livres, les journaux et les magazines.

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). D'autre part, le microscope à effet tunnel ne sert à voir uniquement que les nuages électroniques des atomes. Ainsi, une matière amorphe (non cristalline) ne peut être observée à la résolution atomique.

Notes et références

  1. (en) R. Young, J. Ward, and F. Scire, Observation of Metal-Vacuum-Metal Tunneling, Field Emission, and the Transition Region, Physical Review Letters 27, 922-924 (1971)

Liens externes

Recherche sur Amazone (livres) :



Principaux mots-clés de cette page : surface - pointe - tunnel - microscope - effet - courant - stm - quantique - dispositif - particulièrement - atomes - proche - résolution - distance - ibm - champ - positionnement - utiliser - atomique - nobel - électroniques - échantillon - propriétés - indispensable - young - enclos -


Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/Microscope_%C3%A0_effet_tunnel.
Voir la liste des contributeurs.
La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 30/11/2010.
Ce texte est disponible sous les termes de la licence de documentation libre GNU (GFDL).
La liste des définitions proposées en tête de page est une sélection parmi les résultats obtenus à l'aide de la commande "define:" de Google.
Cette page fait partie du projet Wikibis.
Accueil Recherche Aller au contenuDébut page
ContactContact ImprimerImprimer liens d'évitement et raccourcis clavierAccessibilité
Aller au menu