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Microscopie en champ proche :
un œil à l’échelle nanométrique


Un peu d’histoire

ManobsAu fil des siècles, l’homme a toujours cherché à observer l’infiniment loin et l’infiniment petit. Grâce à l’invention de la loupe (au XVe siècle), puis du microscope optique (au XVIIe siècle), un monde caché et fascinant est apparu à nos yeux : la matière à de très petites échelles. En microscopie classique, la résolution se limite toutefois à la longueur d’onde du rayonnement : de l’ordre du demi-micromètre pour la partie visible du spectre. Cette limite a défié plus encore l’esprit d’invention de l’être humain...

Suite à la découverte de la mécanique ondulatoire en 1923 par L. de Broglie, il s’est avéré que les particules constituant la matière (les électrons, les neutrons et les protons) se comportent en réalité comme des ondes. Sachant cela, E. Ruska et M. Knoll ont remplacé en 1932 la source lumineuse d’un microscope optique par une source d’électrons. Le microscope électronique était né. Un faisceau électronique balaye la surface et l’image produite résulte de la détection des électrons diffusés.

Fly1
Fly2
Images de l’œil d’une mouche obtenues par microscope électronique. Une des facettes de l’œil mesure près de 3 microns de diamètre.
Atoms
Image d’un nanomètre de large obtenue par microscope électronique à effet tunnel (STM) montrant un arrangement régulier d’atomes de carbone à la surface d’un échantillon de graphite.
Étant donné que les électrons ont une longueur d’onde de 3 à 5 ordres de grandeur inférieure à celle de la lumière visible, l’image de la surface d’un objet peut apparaître avec bien plus de détails. Le microscope électronique est aujourd’hui un instrument de laboratoire très puissant, utilisé dans plusieurs domaines comme en biologie, en science des matériaux, en microélectronique et en physique. La plupart de ces instruments ont une résolution d’environ 0,2 nanomètre (un nanomètre [nm] = un millionième de millimètre), ce qui permet une analyse à l’échelle atomique.

Microscopie électronique à effet tunnel

En 1981, G. Binnig et H. Rohrer, du laboratoire de recherche IBM de Rüschlikon, ont inventé un nouveau type d’instruments d’imagerie : le microscope électronique à effet tunnel (STM). De nos jours, cette technique est largement employée en science des surfaces. Elle doit sa popularité à l’étendue de son champ d’applications, à la simplicité de son concept, et à sa capacité à obtenir directement une véritable image spatiale des surfaces conductrices. La résolution spatiale extrêmement élevée (de l’ordre de 0,01 nanomètre) que ce microscope peut atteindre fait de lui un instrument remarquable permettant de visualiser, voire de manipuler, les atomes individuels.
Des lentilles et des sources lumineuses ou électroniques ne sont pas nécessaires, ce qui différencie principalement cette technique de celles mentionnées ci-dessus.

StmC’est sur l’effet tunnel, une propriété de la mécanique quantique, que s’appuie concrètement cette technique. Il suffit d’appliquer un voltage faible entre une pointe métallique très fine et la surface étudiée, séparées l’une de l’autre par une barrière de vide (cf. croquis de gauche). Si cette barrière a une épaisseur de l’ordre de quelques diamètres atomiques, les électrons sont capables de la traverser par effet tunnel, ce qui générera du courant. Le contrôle de ce courant d’effet de tunnel est le défi difficile qu’ont surmonté G. Binnig et H. Rohrer, ce qui leur a valu le Prix Nobel en 1986. Ce courant dépend exponentiellement de la distance pointe-surface. Par conséquent, le suivi des déplacements verticaux de la pointe, lorsque celle-ci balaye la surface à un courant ou à une distance pointe-surface constants, permet d’enregistrer la topographie de la surface.

Par ailleurs, cet instrument peut être utilisé comme outil spectroscopique pour étudier la distribution électronique dans un matériau conducteur. Ce mode puissant, appelé « spectroscopie par effet tunnel », peut par exemple distinguer une région normale d’une région superconductrice au sein d’un échantillon, comme le démontre l’article scientifique paru dans le numéro 3 de la lettre d’informations MaNEP (PDF, 136 ko).

En résumé, la microscopie STM nous fournit un œil et un nez à l’échelle nanométrique, mais ce n’est pas tout !

Chcross
La plus petite croix suisse du monde mesure 25 nm de large et a été réalisée en gravant la surface d’un superconducteur à l’aide d’un microscope STM. (A. Takagi, thèse de doctorat, Genève).
Dans l’exemple présenté dans la figure, l’instrument peut, dans des conditions appropriées, être utilisé pour modifier ou graver de la matière. En effet, la dernière figure prouve que la STM peut servir de pelle mécanique à l’échelle atomique !

Le succès de cette technique a rapidement donné naissance à une grande famille d’instruments, généralement désignés sous l’expression de « microscopes en champ proche ». Chaque membre de cette famille utilise un type différent d’interaction entre la pointe de la sonde et l’échantillon. Les plus courants sont les STM, les microscopes à force atomique, et les microscopes optiques en champ proche.

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