Applications dans les laboratoires chapitre 3
Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981 par des chercheurs d'IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui reçurent le Prix Nobel de physique pour cette invention en 1986 (partagé avec E. Ruska, l'inventeur de la microscopie électronique). Le microscope à effet tunnel 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
Il s'agit, pour simplifier, d'un palpeur, d'une pointe qui suit la surface de l'objet. La pointe balaie la surface à représenter, un ordinateur enregistre la hauteur de la pointe, et reconstitue la surface. Un système de positionnement de grande précision (réalisé à l'aide de cristaux piézoélectriques) permet de placer une pointe conductrice en face de la surface à étudier. Le courant résultant du passage d'électrons entre la pointe et la surface par effet tunnel est mesuré. Ce courant dépend très rapidement de la distance séparant la pointe de la surface, avec une distance caractéristique de quelques dixièmes de nanomètres.
Exemple : surfaces de quasicristaux
La résolution d'in microscope à effet tunnel est remarquable perpendiculairement à la surface, du fait de la décroissance exponentielle de l'intensité du courant avec la distance entre la surface et la pointe : elle est de l'ordre du centième d'angström. L'image suivante obtenue sur une surface d'un quasicristal illustre cette caractéristique : les différences brutales de couleur correspondent à des marches d'une hauteur atomique.
La résolution latérale est moins bonne puisqu'elle dépend de la finesse de la pointe. On peut cependant obtenir la résolution atomique, surtout si les liaisons électroniques sont bien localisées comme dans les semi-conducteurs. Sur l'image suivante la résolution atomique est obtenue sur la surface d'un quasicristal composé d'aluminium et de manganèse présentant une symétrie d'ordre 5. La nouveauté de ces structures réside dans un agencement des atomes ordonnés sur de grandes distances, mais qui ne résulte pas de la répétition simplement périodique d'un motif comme dans un cristal.
L'image ci-dessus (7,3x7,3 nm) a été enregistrée grâce à l’un des microscopes à effet tunnel de l’institut Jean Lamour de Nancy. Il s'agit d'une surface de l'alliage Al70Pd21Mn9. Cette image met en évidence les symétries particulières de ce type de matériau (en particulier, les symétries locales d'ordre 5). La surface contient des atomes de manganèse (points brillants) et des atomes d'aluminium. Les atomes de palladium sont sous la surface (non visibles sur cette image). L’institut Jean Lamour compte également deux autres microscopes de ce type.
