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Article

1 - PRINCIPE DU MICROSCOPE EN CHAMP PROCHE

2 - MICROSCOPE À EFFET TUNNEL

3 - MICROSCOPE À FORCE ATOMIQUE ET MICROSCOPIES DE FORCE

4 - MICROSCOPE OPTIQUE EN CHAMP PROCHE

5 - INSTRUMENTATION

6 - CONCLUSION

7 - GLOSSAIRE

8 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : P895 v3

Microscope à effet tunnel
Microscopie à sonde locale

Auteur(s) : Agnès PIEDNOIR, David ALBERTINI

Date de publication : 10 juin 2023

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RÉSUMÉ

Cet article traite de la microscopie en champ proche ou à sonde locale. Ce type de microscopie est basé sur la détection d'une propriété physique en surface (tel un courant électrique, une force, des photons) à l'échelle locale. Son principe est très différent de celui des microscopes classiques, une pointe vient sonder les informations à l’extrême surface de l'échantillon. La technique a considérablement évolué depuis l'avènement des nanotechnologies et elle apporte maintenant de nombreuses réponses sur les propriétés des matériaux à l'échelle de la molécule ou de l'atome.

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ABSTRACT

Local Probe Microscopy

This article focuses on near-field or local probe microscopy. This type of microscopy is based on the detection of a physical property on the surface (such as an electric current, a force or photons) at the local scale. Its principle is very different from that of the classic microscope: a tip collects information on the extreme surface of the sample. The technique has evolved considerably since the emergence of nanotechnologies and provides today many answers about the properties of materials at the molecular or atomic level.

Auteur(s)

  • Agnès PIEDNOIR : Ingénieure de Recherche au CNRS - Institut Lumière Matière, Villeurbanne, France

  • David ALBERTINI : Ingénieur de Recherche au CNRS - Institut des Nanotechnologies de Lyon, Villeurbanne, France

INTRODUCTION

L’apparition en 1982 du microscope à effet tunnel a constitué une révolution dans le domaine des microscopies en introduisant le concept de microscopie de champ proche qui est à la base des microscopes à sonde locale. Différentes dans leur principe des microscopies traditionnelles, les micro-scopies à sonde locale (ou de champ proche) se développent en effet à partir des avancées scientifiques et techniques de la microscopie à 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 utilisée. 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 apportent un nouvel éclairage et sont complémentaires des microscopies classiques pour étudier la matière jusqu’à l’échelle atomique.

Dans les années 2020, après plusieurs décennies 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 physicochimie des surfaces, milieu liquide pour la biologie et l’électrochimie, atmosphère contrôlée pour toutes sortes de matériaux et pour la métrologie. Le tableau 1 liste de façon non exhaustive les microscopes à champ proche qui permettent d’accéder à des propriétés locales caractéristiques d’un échantillon.

Ces instruments de caractérisation de surface ont d’abord été détournés pour devenir des outils de gravure à l’échelle nanométrique (manipulation d’atomes de surface, fabrication de structures de taille nanométrique, gravure de motifs). Actuellement, pour des applications en biotechnologie et nanofluidique, certains microscopes ont la capacité de déposer localement des atolitres (10–18 litre) de fluide pouvant contenir des objets.

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 de ces 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. 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. Le microscope à force atomique, plus versatile et plus universel, a fait l’objet de nombreux développements et nous consacrerons un grand paragraphe aux modes historiques et plus récents. Un dernier paragraphe portera sur la microscopie de champ proche optique et ses applications. Les problèmes généraux de l’instrumentation communs à ces microscopes seront traités à la fin de l’article.

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KEYWORDS

microscopy   |   tunneling current   |   atomic force   |   atomic resolution   |   local spectroscopy

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v3-p895


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2. Microscope à effet tunnel

2.1 Introduction

Conséquence de la dualité onde-corpuscule, l’effet tunnel se manifeste lorsqu’une particule doit traverser une région de l’espace où son énergie totale est inférieure à son énergie potentielle. Une telle région constitue une barrière de potentiel que la particule ne peut pas traverser. Cependant, si l’onde associée à la particule s’étend sur des dimensions comparables à l’extension de cette barrière, la mécanique quantique prévoit que la particule peut traverser par effet tunnel cette barrière de potentiel, interdite au sens de la mécanique classique. Depuis les prédictions de la mécanique quantique, de nombreuses manifestations de l’effet tunnel ont été observées en physique atomique et nucléaire.

C’est à la fin des années 1920 qu’est découvert et théorisé l’effet tunnel d’électrons au travers de la barrière de potentiel constituée par l’espace vide entre deux solides  ; ce n’est cependant que trente ans plus tard que la première réalisation expérimentale avec une barrière solide  voit le jour, et seulement en 1982 qu’une expérience fondamentale est mise au point par un groupe de chercheurs des laboratoires IBM de Zurich . Ceux-ci mettent en évidence l’effet tunnel d’électrons dans le vide en mesurant un courant tunnel d’électrons entre une pointe métallique et un échantillon métallique séparés par du vide. La distance inter--électrodes est contrôlée par un transducteur piézoélectrique. Conformément aux prédictions théoriques, ce courant tunnel dépend exponentiellement...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BINNIG (G.), ROHRER (H.) -    -  Rev. Mod. Phys., 59, 615 (1987). doi : 10.1103/RevModPhys.59.615

  • (2) - FRENKEL (J.) -    -  Phys. Rev., 36, 1604 (1930). doi : 10.1103/PhysRev.36.1604

  • (3) - ESAKI (L.) -    -  Phys. Rev., 109, 603 (1958). doi : 10.1103/PhysRev.109.603

  • (4) - BINNIG (G.), ROHRER (H.), GERBER (C.), WEIBEL (E.) -    -  Appl. Phys. Lett., 40, 178 (1982). doi : 10.1103/PhysRevLett.49.57

  • (5) - VERNISSE (L.) -   Thèse de l'université Paul Sabatier,  -  Toulouse (2014). http://thesesups.ups-tlse.fr/2421/

  • (6) - ALBERTINI (D.) -   Thèse de l'université Aix-Marseille II  -  (1998).

  • ...

1 Annuaire

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1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Calculer la raideur d'un levier : https://sadermethod.org/

Des mêmes auteurs :

ACHETER un AFM – Photoniques 90 (2018). Une liste des fabricants de microscopes et des fabricants/distributeurs de pointes est disponible.

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1.2 Documentation – Formation – Séminaires

Nanocar race : course de nanovoiture par STM. Quelques liens utiles : https://www.memo-project.eu/flatCMS/index.php/Nanocar-Race-II https://lejournal.cnrs.fr/videos/au-coeur-de-la-plus-petite-course-de- voitures-au-monde

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1.3 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)

Réseau des Microscopies à Sondes Locales (RéMiSoL) : réseau technologique de la MITI (Mission pour les initiatives...

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