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Visualiser expérimentalement des atomes et des molécules

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Objectifs
Présenter le principe de la microscopie à effet tunnel, en tant qu’outil pour observer expérimentalement des atomes.
Présenter quelques variantes de cet appareil.
Les atomes et les molécules ont été prédits par les scientifiques depuis longtemps, sans toutefois avoir l’occasion de les observer, de part leur faible taille. Un atome a en effet une taille de l’ordre de l’Angström ().

Or, depuis une trentaine d’années, les progrès techniques et une mise en application de certains phénomènes physiques ont permis de mettre au point des outils pour produire expérimentalement des images représentant des atomes ou des molécules !

1. Présentation de la microscopie à effet tunnel
Imaginons deux matériaux conducteurs, l’un est une plaque, l’autre est une pointe. Chacun est relié à une borne d’un générateur électrique ( l’un, au + et l’autre, au – ). Ensuite, la pointe est approchée très près de la plaque, à une distance de quelques Angströms, donc équivalente à plusieurs fois le diamètre moyen d’un atome.

En mécanique classique
, un courant électrique ne pourrait pas passer entre les deux, car ils ne sont pas en contact. Or, en mécanique quantique, on montre que des électrons ont une faible probabilité (mais non-nulle) de passer d’un matériau à l’autre, formant alors un courant électrique : c’est l’effet tunnel.

Cet effet est utilisé dans le microscope à effet tunnel, nommé Scanning Tunneling Microscope (STM). Cet appareil fut créé en 1981 par Gerd Binning et Heinrich Rohrer. Leur invention leur permis d’ailleurs d’obtenir en 1986 le Prix Nobel de Physique. La finalité de cet outil est d’étudier la surface d’un matériau conducteur à faible échelle, avec une résolution possible de l’ordre d’un Angström. On est ainsi à l’échelle de l’atome.

L’idée est de déplacer une pointe de platine à proximité du matériau à cartographier. Dans la pratique, la tension électrique appliquée entre la pointe et l’échantillon est de l’ordre d’une dizaine de Volts. En théorie, l’extrémité de la pointe peut être constituée d’un seul atome. Quand la pointe est assez proche du matériau, le courant lié à l’effet tunnel va apparaître, et augmenter si la pointe se rapproche encore.

Cependant, dans la pratique, l’objectif est que les deux conducteurs ne se touchent jamais, afin d’éviter d’endommager la pointe. Quand elle est déplacée parallèlement à la surface de l’échantillon, selon un axe x, on fait alors en sorte de la maintenir à distance constante du matériau, en la montant ou descendant (selon un axe z) en fonction du courant mesuré, donc en fonction des variations du profil de l’échantillon étudié. Un système d’asservissement électronique assure ainsi que le courant d’effet tunnel soit constant pendant toute la mesure.



La pointe se déplace selon x, afin de parcourir une ligne. Ensuite, elle revient à son x de départ, se décale d’un cran selon y, et effectue une nouvelle ligne, et ainsi de suite, afin de balayer la surface de l’échantillon à étudier. Ces mouvements sont pilotés par informatique sans intervention manuelle de l’opérateur. Les données collectées sont envoyées à l’ordinateur, qui génère une cartographie 3D de la surface étudiée.


Pour assurer des déplacements si petits, de l’ordre de la taille d’un atome, on fait appel à un autre effet physique : la piézoélectricité. Les matériaux piézoélectriques ont la faculté de changer de taille lorsqu’une tension électrique leur est appliquée. Les déformations sont de l’ordre de 1 à 10 nm par Volt : on peut donc appliquer des fractions de Volt pour obtenir la précision des déplacements souhaités.


En conséquence, le dispositif porte-pointe est équipé de trois céramiques piézoélectriques, pour assurer les déplacements selon x, y et z. En modulant la tension appliquée à chaque céramique, l’ordinateur arrive à piloter les mouvements de la pointe dans l’espace.


Le microscope est très sensible aux vibrations, car elles peuvent interférer avec les mouvements de la pointe. Il est ainsi constitué d’un ensemble d’amortisseurs.
2. Quelques résultats
Les résultats se présentent sous la forme d’une surface z fonction de x et de y. Il est possible de la représenter sous la forme d’une image 3D ou d’une image « vue de dessus ». Un code couleur peut permettre de visualiser la présence de creux ou de bosses. Quelques exemples :

Topographie de la surface d’un métal. Un métal a une structure cristalline, autrement dit un arrangement régulier d’atomes, sous la forme de couches disposées les unes sur les autres. À la surface, il y a quelquefois des marches atomiques, c'est-à-dire qu’une couche atomique s’interrompt (usure de la surface), comme les deux visibles sur la figure. La hauteur d’une marche est celle d’un atome. La surface étudiée ici est celle d’un carré d’une dizaine de nm de côté.


Surface de graphite. On travaille ici avec l’échelle de longueur la plus faible : la surface étudiée est un carré de quelques Angströms de côté. Les boules que l’on observe sont des atomes. La distance entre deux atomes voisins est d’environ .

3. Des variantes du microscope à effet tunnel
Le microscope à force atomique est une variante du microscope à effet tunnel. Il comporte aussi une pointe qui se déplace sur le matériau à étudier. Cependant, il utilise quant à lui les forces d’attractions/répulsions entre les atomes de l’échantillon et ceux de la pointe. Ainsi, contrairement au microscope à effet tunnel, l’échantillon peut être constitué d’un matériau isolant électrique. Les mouvements de la pointe selon z sont mesurés par exemple par déviation d’un faisceau LASER, ce qui permet de cartographier la surface de l’échantillon.

Ce type de microscope est utilisé également pour observer des molécules déposées sur des surfaces. En effet, des travaux, publiés en 2009, ont permis de visualiser une molécule de pentacène avec un microscope à force atomique dont la pointe était terminée par une molécule de monoxyde de carbone.

Après, il existe les microscopes à effet de champ, dont les sondes atomiques tomographiques, qui ionisent les atomes de l’échantillon à étudier, pour ensuite reconnaître ces ions. Ainsi, en plus d’établir une cartographie des atomes, on peut en plus avoir accès à la nature de chacun d’eux.
L’essentiel
Depuis quelques années, l’application de certains phénomènes physiques comme l’effet tunnel et la piézoélectricité a permis la création du microscope à effet tunnel, capable de cartographier la surface de matériaux à l’échelle de l’atome, de l’ordre de l’Angström ().

Ainsi, avec un microscope à effet tunnel, il devient possible de générer expérimentalement une image où l’on peut observer la disposition des atomes d’un échantillon.

D’autres microscopes de l’infiniment petit ont également vu le jour, comme le microscope à force atomique, qui a notamment servi à visualiser expérimentalement des molécules.

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