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Les outils pour observer le nanomonde

Antoine Bérut

Laboratoire de Physique, ENS de Lyon

David Lopes Cardozo

Laboratoire de Physique, ENS de Lyon

Delphine Chareyron

ENS de Lyon

Delphine Chareyron

Dans cet article on présente deux outils pour sonder la matière à l'échelle atomique.

03/03/2014


Dans cet article, nous présentons deux instrumentations pour sonder la matière à l'échelle atomique : le microscope à force atomique et le microscope à effet tunnel.

1. Le microscope à force atomique

Le microscope à force atomique (AFM) permet de cartographier des surfaces avec une précision pouvant aller jusqu’à l’angström (10-10 m). Il permet aussi d’étudier des interactions ou des déformations dynamiques sur des échelles inférieures au micromètre.

Le principe de la microscopie à force à atomique est simple : on dispose d’un microlevier de section rectangulaire, généralement en silicium, éventuellement recouvert d’une couche conductrice, d’une longueur de quelques centaines de μm pour quelques dizaine de μm de large et quelques micromètres d’épaisseur. Il est encastré à l’une de ses extrémités et il dispose d’une pointe de quelques micromètres de long à l’autre extrémité (voir figure 1). Le rayon de courbure à son extrémité est très faible, de l’ordre de quelques nanomètres. Un échantillon à analyser est approché de la pointe et provoque une déflexion du microlevier par contact, force de capillarité (en atmosphère humide) ou force attractive à distance (force de Van der Walls, interaction électrostatique, etc.). La déflexion est ensuite mesurée, à l'aide d'un faisceau laser.

  Figure 1 : Schéma du fonctionnement d'un microscope à force atomique. La déflexion du faisceau laser sur l’extrémité du levier portant la pointe permet d’asservir la position verticale de l’échantillon pendant le balayage horizontal pour garder une déflexion (donc une interaction pointe surface) constante. On peut ainsi reconstruire la topographie de l’échantillon.  

Une boucle de rétroaction permet de déplacer l'échantillon tout en maintenant la déflexion (donc l’interaction entre la pointe et l'échantillon) constante. Ainsi les variations d'altitude de l'échantillon permettent de remonter à sa topographie. Dans des cas d’utilisations optimales, la résolution latérale peut atteindre la dimension atomique et la résolution verticale est la plupart du temps atomique..

Une autre utilisation consiste à étudier la nature des interactions entre la pointe et un échantillon particulier ou la déformation par la pointe de l'échantillon (courbes de force, déformation d’un polymère, réponse du matériau à une excitation dynamique, etc.).

Ce type de microscope est utilisé, par exemple pour la biophysique pour imager des objets comme une protéine, un filament d'ADN... Il est aussi possible d'éxercer des forces sur ces objets, pour par exemple déplier des protéines et mesurer les forces mises en jeu.

Les nanosciences utilisent aussi la microscopie à force atomique pour sonder et mesurer la matière à cette échelle.

2. Le microscope à effet tunnel

Le microscope à effet tunnel (ou STM pour Scanning Tunneling Microscope) repose sur l'effet tunnel.

2.1 L'effet tunnel

L'effet tunnel est un effet ondulatoire qui apparaît en mécanique quantique. En mécanique quantique on ne peut pas parler de particule et d'onde, tous les objets sont à la fois l'un et l'autre, c'est la dualité onde/corpuscule. En mécanique classique, on peut considérer une barrière de potentiel et une particule n'ayant pas assez d'énergie pour la franchir, mais une onde de même énergie que la particule, elle, pourrait quand même passer. En mécanique quantique par contre, cette même particule peut traverser l'obstacle bien que, en tant que particule, elle n'ait pas assez d'énergie, mais puisqu'elle est aussi une onde, il est possible qu'elle passe !

On a donné le nom d'effet tunnel pour montrer qu'il existe, à travers la barrière de potentiel, une sorte de tunnel pour les électrons.

Le passage des électrons par effet tunnel se fait à la vitesse de la lumière (soit 3.108 m/s), à la différence des porteurs de charge dans un matériau.

2.2 Principe de fonctionnement du microscope à effet tunnel

Le microscope à effet tunnel repose sur l'effet tunnel. Il est consitué d'une pointe métallique qui survole la surface d'un matériau conducteur. On applique une différence de potentiel entre la pointe et l'échantillon. L'absence de contact entre pointe métallique et l'échantillon forme la barrière de potentiel qu'il faut franchir par effet tunnel. Lorsque la pointe se trouve à quelques angströms de l'échantillon, les fonctions d'onde électroniques de la pointe et de l'échantillon se recouvrent et les électrons acquièrent alors une probabilité de passer de la pointe vers l'échantillon (et réciproquement de l'échantillon vers la pointe). C'est le courant tunnel.

On mesure ces variations de courant, directement reliées aux variations de distance entre la pointe et l'échantillon. Une boucle de rétroaction cherche à maintenir ce courant constant et agit ainsi sur la position verticale de l’échantillon. L'ordre de grandeur du courant tunnel est le nanoampère.

  Figure 2 : Schéma du fonctionnement d'un microscope à effet tunnel. Le courant tunnel qui circule entre la pointe et l'échantillon est directement relié à la position des atomes de l'échantillons. Ainsi c'est grâce à la mesure de ce courant que l'on est capable d'accéder à la carte du relief de l'échantillon.  

Le microscope à effet tunnel permet de cartographier la matière atome par atome. Ce microscope permet aussi d'agir sur les atomes pour, par exemple les déplacer, ou les supprimer d'un échantillon. Cela peut servir par exemple à construire des nanocircuits ou encore des nanomoteurs.

2.3 Animation sur le principe de l'effet tunnel d'après « Tout est quantique »

L'animation ci-dessous, réalisée dans le cadre de la manifestation « Tout est quantique », présente l'effet tunnel et le fonctionnement du microscope à effet tunnel.

Figure 3 : Principe de l'effet tunnel. Animation réalisée par Data-Burger, conseiller scientifique : J. Bobroff avec le soutien de : Univ. Paris Sud, SFP, Triangle de la Physique, PALM, Sciences à l'Ecole, ICAM-I2CAM, copyright Bobroff 2012. Source: « Tout est quantique » et www.vulgarisation.fr

3. Présentation filmée de ces deux instrumentations par le CEA : « Voir l'infiniment petit : les outils pour le nanomonde »

Cette vidéo du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) a été publiée en mars 2013 sur le site www.cea.fr, lors de l'édition 2013 de la formation « La science en marche ».

Elle présente tout d'abord l'échelle nanométrique pour laquelle les objets ne peuvent plus être observés à l'aide d'un microscope optique. Ensuite deux instrumentations permettant d'observer la matière à cette échelle sont présentées : le microscope à effet tunnel et le microscope à force atomique.

Remerciements  à Ludovic Bellon du Laboratoire de Physique de l'ENS de Lyon pour les précisions et corrections qu'il a pu apporter à cet article.

Pour approfondir le sujet sur les nanosciences :

Références :