Le microscope à effet tunnel est un outil extrêmement puissant pour étudier la structure électronique des systèmes à l'état solide. Ses images topographiques facilitent l'application de techniques d'analyse de surface spécifiques aux produits chimiques, conduisant à une définition structurelle de la surface. Vous pouvez en savoir plus sur l'appareil, ses fonctions et sa signification, ainsi que voir une photo d'un microscope à effet tunnel dans cet article.
Créateurs
Avant l'invention d'un tel microscope, les possibilités d'étudier la structure atomique des surfaces se limitaient principalement aux méthodes de diffraction utilisant des faisceaux de rayons X, d'électrons, d'ions et d'autres particules. La percée a eu lieu lorsque les physiciens suisses Gerd Binnig et Heinrich Rohrer ont développé le premier microscope à effet tunnel. Ils ont choisi la surface de l'or pour leur première image. Lorsque l'image a été affichée sur un écran de télévision, ils ont vu des rangées d'atomes disposés avec précision et observé de larges terrasses séparées par des marches d'un atome de haut. Binnig et Rohrerdécouvert une méthode simple pour créer une image directe de la structure atomique des surfaces. Leur réalisation impressionnante a été récompensée par le prix Nobel de physique en 1986.
Précurseur
Un microscope similaire appelé Topografiner a été inventé par Russell Young et ses collègues entre 1965 et 1971 au National Bureau of Standards. C'est actuellement l'Institut national des normes et de la technologie. Ce microscope fonctionne sur le principe que les pilotes piézo gauche et droit balayent la pointe au-dessus et légèrement au-dessus de la surface de l'échantillon. Le lecteur de serveur central à commande piézo est contrôlé par le système de serveur pour maintenir une tension constante. Il en résulte une séparation verticale permanente entre la pointe et la surface. Le multiplicateur d'électrons détecte une infime fraction du courant tunnel qui est dissipée à la surface de l'échantillon.
Vue schématique
L'assemblage du microscope à effet tunnel comprend les composants suivants:
- astuce de numérisation;
- controller pour déplacer la pointe d'une coordonnée à une autre;
- système d'isolation des vibrations;
- ordinateur.
La pointe est souvent en tungstène ou en platine-iridium, bien que l'or soit également utilisé. L'ordinateur est utilisé pour améliorer l'image grâce au traitement d'image et pour effectuer des mesures quantitatives.
Comment ça marche
Le principe de fonctionnement du tunnelmicroscope est assez compliqué. Les électrons au sommet de la pointe ne sont pas limités à la région à l'intérieur du métal par la barrière de potentiel. Ils se déplacent à travers l'obstacle comme leur mouvement dans le métal. L'illusion de particules en mouvement libre est créée. En réalité, les électrons se déplacent d'atome en atome, en passant par une barrière de potentiel entre deux sites atomiques. Pour chaque approche de la barrière, la probabilité de tunnel est de 10:4. Les électrons le traversent à une vitesse de 1013 par seconde. Ce taux de transmission élevé signifie que le mouvement est substantiel et continu.
En déplaçant la pointe du métal sur la surface sur une très petite distance, chevauchant les nuages atomiques, un échange atomique est effectué. Cela crée une petite quantité de courant électrique circulant entre la pointe et la surface. Il peut être mesuré. Grâce à ces changements continus, le microscope à effet tunnel fournit des informations sur la structure et la topographie de la surface. Sur cette base, un modèle tridimensionnel est construit à l'échelle atomique, ce qui donne une image de l'échantillon.
Tunnelisation
Lorsque la pointe se rapproche de l'échantillon, la distance entre elle et la surface diminue jusqu'à une valeur comparable à l'écart entre les atomes adjacents dans le réseau. L'électron tunnel peut se déplacer soit vers eux, soit vers l'atome à la pointe de la sonde. Le courant dans la sonde mesure la densité électronique à la surface de l'échantillon, et cette information est affichée sur l'image. Le réseau périodique d'atomes est clairement visible sur des matériaux tels que l'or, le platine, l'argent, le nickel et le cuivre. videl'effet tunnel d'électrons de la pointe vers l'échantillon peut se produire même si l'environnement n'est pas un vide, mais rempli de molécules de gaz ou de liquide.
Formation de la hauteur de la barrière
La spectroscopie de hauteur de barrière locale fournit des informations sur la distribution spatiale de la fonction de travail de surface microscopique. L'image est obtenue par mesure point par point de l'évolution logarithmique du courant tunnel en tenant compte de la transformation en espace diviseur. Lors de la mesure de la hauteur de la barrière, la distance entre la sonde et l'échantillon est modulée de manière sinusoïdale à l'aide d'une tension alternative supplémentaire. La période de modulation est choisie pour être beaucoup plus courte que la constante de temps de la boucle de rétroaction dans un microscope à effet tunnel.
Signification
Ce type de microscope à sonde à balayage a permis le développement de nanotechnologies qui doivent manipuler des objets de taille nanométrique (inférieure à la longueur d'onde de la lumière visible entre 400 et 800 nm). Le microscope à effet tunnel illustre clairement la mécanique quantique en mesurant le quantum de la coquille. Aujourd'hui, les matériaux amorphes non cristallins sont observés à l'aide de la microscopie à force atomique.
Exemple de silicium
Les surfaces en silicium ont été étudiées plus en détail que tout autre matériau. Ils ont été préparés en chauffant sous vide à une température telle que les atomes ont été reconstruits dans un processus évoqué. La reconstruction a été étudiée dans les moindres détails. Un motif complexe s'est formé à la surface, connu sous le nom de Takayanagi 7 x 7. Les atomes ont formé des paires,ou des dimères qui s'insèrent dans des rangées s'étendant sur tout le morceau de silicium à l'étude.
Recherche
Les recherches sur le principe de fonctionnement d'un microscope à effet tunnel ont conduit à la conclusion qu'il peut fonctionner dans l'atmosphère environnante de la même manière que dans le vide. Il a fonctionné dans l'air, l'eau, les liquides isolants et les solutions ioniques utilisées en électrochimie. C'est beaucoup plus pratique que les appareils à vide poussé.
Le microscope à effet tunnel peut être refroidi à moins 269 °C et chauffé à plus 700 °C. La basse température est utilisée pour étudier les propriétés des matériaux supraconducteurs, et la haute température est utilisée pour étudier la diffusion rapide des atomes à travers la surface des métaux et leur corrosion.
Le microscope à effet tunnel est principalement utilisé pour l'imagerie, mais de nombreuses autres utilisations ont été explorées. Un fort champ électrique entre la sonde et l'échantillon a été utilisé pour déplacer les atomes le long de la surface de l'échantillon. L'effet d'un microscope à effet tunnel dans divers gaz a été étudié. Dans une étude, la tension était de quatre volts. Le champ à la pointe était suffisamment fort pour retirer les atomes de la pointe et les placer sur le substrat. Cette procédure a été utilisée avec une sonde en or pour créer de petits îlots d'or sur un substrat de plusieurs centaines d'atomes d'or chacun. Au cours de la recherche, un microscope à effet tunnel hybride a été inventé. L'appareil d'origine était intégré à un bipotentiostat.
