Le microscope à force atomique et les microscopies de force
Microscopie à sonde locale

Lapparition en 1982 du microscope à effet tunnel a constitué une révolution dans le domaine des microscopies en introduisant le concept de micro-scopie de champ proche qui est à la base des microscopes à sonde locale. Différentes dans leur principe des microscopies traditionnelles, les microscopies à sonde locale (ou de champ proche) se développent en effet à partir des avancées scientifiques et techniques de la microscopie par effet tunnel. Utilisant toutes le balayage d’une pointe sonde à proximité d’un échantillon, elles fournissent des images qui sont des cartographies à très haute résolution de propriétés spécifiques de la surface de l’échantillon selon le type de sonde utilisé. Diverses propriétés (structurales, électroniques, chimiques, optiques...) et leurs variations locales à l’échelle nanométrique ou subnanométrique peuvent être ainsi imagées et étudiées. Grâce à leur grand pouvoir de résolution, les microscopies à sonde locale prennent le relais des microscopies classiques pour étudier la matière jusqu’à l’échelle atomique.

À l’heure actuelle, après quelques années de développement, de nombreux laboratoires de recherche et de l’industrie utilisent ces instruments d’observation et d’analyse. Ils permettent d’étudier les propriétés locales de surfaces (ou d’interfaces) dans des conditions très variées selon les applications : ultravide pour la physico-chimie des surfaces, milieu liquide pour la biologie et l’électrochimie, atmosphère contrôlée pour toutes sortes de matériaux et pour la métrologie en ligne de certaines applications du domaine recherche et déve-loppement. Le tableau A montre comment par la mesure locale et le contrôle de grandeurs ou quantités physiques (un courant, une force, une capacité, une intensité de rayonnement...), on peut accéder à des propriétés locales caractéristiques d’un échantillon.

Certains microscopes (cf. tableau A) permettent aussi de modifier de façon contrôlée la surface de l’échantillon en particulier en manipulant les atomes de surface ou en créant une réaction chimique locale sous la pointe. Ceci permet la fabrication de structures de taille nanométrique, ou la gravure de motifs. On a donc à la fois des instruments de caractérisation des surfaces de matériaux et des outils de gravure à l’échelle nanométrique.

Il existe une abondante littérature et de nombreux ouvrages de revue sur les microscopies à sonde locale. Dans cet article, nous dégagerons seulement les principales caractéristiques des nouveaux instruments et illustrerons les nombreux champs d’application dans différents domaines de la physique, de la biologie, de la métrologie et des nanotechnologies. Après la description du principe général d’un microscope à sonde locale et de son fonctionnement, nous nous attacherons à étudier de façon plus détaillée les premiers microscopes (STM et AFM ou leurs dérivés). Pour chaque instrument nous montrerons les impacts en recherche fondamentale (physique, chimie et biologie), métrologie et technologie. Nous traiterons ainsi de la microscopie par effet tunnel et de ses applications. Un paragraphe sera consacré au microscope à force atomique et à la microscopie de force et un autre abordera la microscopie de champ proche optique et ses applications. Les problèmes généraux de l’instrumentation seront traités à la fin de l’article.