Topographier la matière

Agrandir Principe de fonctionnement d'un microscope à effet tunnel. © L'Internaute

Le microscope à effet tunnel (STM pour Scanning Tunneling Microscope) est inventé en 1981 par des chercheurs d'IBM. Il utilise l'effet tunnel pour déterminer la topographie de surfaces conductrices. Sa résolution spatiale peut atteindre la taille des atomes.

Une pointe, un courant

Ici, ni lumière ni électrons de sont projetés. Il s'agit d'une pointe qui suit la surface de l'objet. Elle balaie cette surface pendant qu'un ordinateur enregistre sa hauteur. Cela permet de reconstituer l'échantillon.

La pointe et la surface ne se touchent jamais (elles restent à quelques dixièmes de nanomètres de distance). Mais entre elles naît un courant électrique. Il résulte de l'effet tunnel : les électrons libres du métal sortent un peu de la surface.

En se plaçant très près, on peut l'enregistrer. Or, ce courant dépend de la distance séparant la pointe de la surface. Ainsi, on fait bouger la pointe au dessus de l'échantillon avec un mouvement de balayage et on ajuste la hauteur de celle-ci, par rétroaction, de manière à conserver une intensité du courant tunnel constante.

Cette technique permet également de déplacer les atomes. En 1990, le microscope à effet tunnel a 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, dessinant les trois lettres IBM.

Bien sûr, il faut, pour que cela fonctionne, que la pointe, généralement en matériau dur comme le tungstène ou le platine iridié, comme la surface, soient conductrices. Il faut aussi un système de positionnement de grande précision. Les courants à mesurer étant de très faible intensité (quelques nanoAmpères! ), un système électronique d'amplification est indispensable.

Une pointe, des forces

La microscopie à effet tunnel nécessite également d'avoir un échantillon conducteur d'électricité. Pour les objets isolants, on utilise une technique proche, la microscopie à force atomique ou AFM. Si la microscopie STM utilise l'effet tunnel, la microscopie AFM utilise la force atomique, c'est-à-dire les forces d'interactions entre la pointe et la surface, pour la rétroaction.

En effet, dans la matière, les atomes entre eux sont soumis notamment à 2 forces : l'une d'attraction, dite de Van der Waals, l'autre de répulsion, dite d'exclusion de Pauli. On utilise cette attraction/répulsion entre les atomes de surface et la pointe, montée sur un levier très flexible. La mesure de la flexion du levier donne une mesure directe de la force d'interaction entre la surface sondée et la pointe et renseigne donc sur la topographie de l'échantillon.

La résolution latérale est de l'ordre de la dizaine de nanomètres, mais la résolution verticale est de l'ordre de l'ångström.

Dans les deux cas, on obtient une image de synthèse, c'est à dire reconstituée par ordinateur à partir de données numériques, pas une réelle "photographie" des atomes.