La microscopie à effet tunnel (Scanning Tunneling Microscopy ou STM en anglais) est une technique développée dans les laboratoires d’IBM à Zurich par Gerd Binning et Heinrich Rohrer (Prix Nobel de Physique en 1986). Cette technique est basée sur un phénomène physique connu depuis les origines de la mécanique quantique, l’effet tunnel. Un microscope à effet tunnel est constitué de deux électrodes de conductivité raisonnable dont l’une a la forme d’une pointe et l’autre est la surface du film à étudier. La distance pointe-échantillon est de l’ordre de quelques angströms. Si une tension de polarisation est appliquée entre la pointe et la surface, les électrons ont une probabilité non nulle de passer d’une électrode à l’autre et un courant tunnel va donc naître.
Le principe de l’expérience consiste à déplacer la pointe au-dessus de la surface du film (à l’aide de céramiques piézo-électriques) en maintenant le courant tunnel constant par un dispositif d’asservissement. Ainsi la distance pointe-échantillon reste constante et l’enregistrement des déplacements verticaux de la pointe reproduit alors fidèlement la topographie de la surface. Si la pointe est suffisamment fine (micro-pointe de quelques angströms), le relief observé peut avoir la résolution atomique.
L’expérience de microscopie à effet tunnel peut également fonctionner en mode spectroscopique (Scanning Tunneling Spectroscopy ou STS). Dans ce ca de figure, la pointe est maintenue fixe par rapport à la surface de l’échantillon à une position donnée. Le module d’asservissement est ouvert et une rampe de tension V(t) est appliquée entre la pointe et la surface de l’échantillon. Pour chaque tension appliquée le courant tunnel est mesuré et l’étude des caractéristiques courant-tension et de leurs dérivées permet d’accéder à la densité locale d’états électroniques en surface.
Instrumentation :
Les mesures STM sont le plus souvent réalisées dans une enceinte ultra-vide afin de s’affranchir d’une éventuelle contamination de la surface par l’atmosphère résiduelle. Le schéma de principe d’un microscope à effet tunnel est représenté ci-dessous :
Un microscope STM comprends donc les éléments essentiels suivants :
- Une pointe métallique (tungstène, platine, or, …)
La pointe métallique joue le rôle de sonde locale du courant tunnel et constitue une mesure de la densité électronique. Celle-ci, positionnée à quelques angströms, est portée à un potentiel positif (ou négatif) de quelques volts par rapport à la surface de l’échantillon afin de sonder les états pleins (ou vides) de l’échantillon. La résolution latérale de l’image STM obtenue est déterminée par le diamètre de l’extrémité de la pointe. Pour obtenir une résolution atomique, il faut donc que la pointe soit terminée par un atome isolé. La préparation de la pointe est un élément primordial pour l’obtention d’images de qualité et différentes méthodes ont été mises au point : évaporation par chauffage, attaque électrochimique, emission de champ, …
- Un ensemble de trois céramiques piézo-électriques permettant le déplacement de la pointe
Les déplacements de la pointe dans les trois directions de l’espace (X, Y, Z) sont contrôlés par des quartz piézo-électriques. Une tension est appliquée sur chaque céramique piézo-électrique provoquant ainsi une contraction ou une dilatation de celle-ci suivant la polarité. Le déplacement dans les directions X et Y permet de balayer la surface de l’échantillon alors que suivant la direction Z, une boucle d’asservissement oblige la pointe à se déplacer normalement à la surface pour maintenir un courant tunnel constant. Les déplacements se font avec une précision pouvant aller d’une fraction d’angström à quelques micromètres.
- – Un système électronique de pilotage, d’acquisition, de traitement et de visualisation des données
- – Un dispositif anti-vibratoire
Différents systèmes peuvent être utilisés pour amortir les vibrations de fréquence élevée (plaques métalliques anti-vibratoires, systèmes à ressort combinés à des matériaux absorbants, …).
Dispositifs expérimentaux utilisés au laboratoire :
- STM Omicron sous-vide à température fixe.
- STM Omicron sous-vide à température variable.
- STM Omicron à l’air à température fixe.
