microscope à effet tunnel (STM)

Le microscope à effet tunnel (STM pour Scanning tunneling microscope) a été inventé en 1981 par Heinrich Rohrer, Gerd Binnig, Christoph Gerber et Eddie Weibel au laboratoire de recherche d’IBM de Rüschlikon - 1981), près de Zürich. Le STM et les « paysages atomiques » qu’il produit deviendront emblématiques de ce qui s’appellera les nanosciences et les nanotechnologies.

Le concept instrumental du STM est d’aller sonder le champ proche électronique qui se constitue par effet tunnel à la surface d’un matériau conducteur.

L’effet tunnel est un effet quantique. Lorsque les électrons circulant dans un métal arrivent à son extrémité (sa surface), tout se passe comme s’ils sortaient du matériau avant d’y revenir. L’expression « effet tunnel » est une image désignant le fait que les électrons franchissent une barrière d’énergie potentielle (ou ont une probabilité de présence non nulle dans des zones où l’énergie potentielle est supérieure à l’énergie totale – zones où ils ne peuvent pas s’aventurer selon les lois de la mécanique classique). On peut aussi désigner l’effet tunnel électronique comme une « onde évanescente », onde qui s’amortit très rapidement. Pour employer une image sonore, une onde évanescente est analogue à la transition qui s’opère entre un son et le silence.

Le principe de fonctionnement du STM (Figure 1) est le suivant : une pointe, terminée par un unique atome, balaye la surface d’un échantillon conducteur. Une fois la pointe connectée au champ d’électrons « tunnel » de l’échantillon, un circuit électrique porté à un très faible potentiel est obtenu. La pointe est mue le long de trois axes (x, y, z) par la contraction de tubes en cristal piézo-électrique (un cristal piézo-électrique répond à une contraction mécanique par un potentiel électrique et, inversement, se dilate ou se contracte lorsqu’un potentiel électrique lui est appliqué). En mode d’utilisation « courant constant » (le plus classique), c’est le déplacement en hauteur (le long de l’axe z) de la pointe qui est mesuré. L’intensité du courant augmentant exponentiellement en fonction de la distance entre les deux électrodes (ici, la pointe et la surface de l’échantillon) entre lesquelles il est induit, il est possible de connaître précisément la distance pointe/échantillon.

Figure 1. Principe de fonctionnement du STM.

En haut : G. Binnig & H. Rohrer, 1985, « The Scanning Tunneling Microscope », Scientific American 253, n° 2, p. 50-56 ; image p. 53, reproduite avec l’aimable autorisation de Ian Worpole. Au centre et en bas : G. Binnig & H. Rohrer, 1984, « Scanning Tunneling Microscopy », Physica B, vol. 127, n° 1-3, p. 37-45 ; © Elsevier Science.

Schématiquement, l’opération a lieu ainsi : tandis que la pointe est prudemment approchée de l’échantillon, l’intensité du courant tunnel est mesurée ; lorsque la pointe est suffisamment proche de l’échantillon relativement à la résolution souhaitée, cette valeur, appelée « courant de consigne », est maintenue constante ; la pointe est alors déplacée au dessus de l’échantillon le long de x selon l’axe y ; pendant le balayage, le mécanisme de contrôle des piézoélectriques est asservi par le courant de consigne : il meut la pointe selon z de façon à toujours retrouver le courant de consigne lorsque qu’il s’en écarte. Ce sont les déplacements qu’effectue la pointe le long de z pour retrouver le courant de consigne qui sont mesurés, et inscrits sur des lignes de graphes. On obtient ainsi une ligne Δz pour chaque trajectoire de balayage de coordonnées (x, y). En superposant les lignes Δz, on obtient une figure des variations de « relief », une topographie 2D de la surface. Plus tard, cette topographie pourra être traduite en images 3D grâce à l’infographie, permettant de faire correspondre une gamme de couleur et une échelle de hauteur aux déplacements de la pointe (un ton plus clair, ou plus chaud, par exemple, lorsque la pointe est plus haute) ou encore d’orienter différemment l’image, comme lorsque l’on manipule une maquette.

Figure 2. STM : Dispositif complet.

Le dispositif complet intègre le cœur du STM dans un circuit qui comporte au minimum un système d’amortissement des vibrations, une vis différentielle pour positionner l’échantillon, des filtres, des amplificateurs, un blindage électrostatique, et une boucle de rétroaction pour le contrôle de la pointe (figure 2). Le courant de polarisation (bias voltage) est le courant de l’échantillon : s’il est positif, les électrons « tunnellent » de la pointe vers l’échantillon ; s’il est négatif, les électrons « tunnellent » de l’échantillon vers la pointe. Le courant tunnel, après amplification, est comparé au courant de consigne (preset value). C’est la différence des deux qui dirige le mouvement du piézoélectrique z par rétroaction négative : si la valeur du courant tunnel est plus forte que le courant de consigne, la différence est utilisée, après amplification, pour appliquer une tension sur le piézoélectrique, qui va se contracter et soulever la pointe, et vice-versa.

Figure 3. Modes « courant constant » et « hauteur constante ».

En mode « hauteur constante » (figure 3), la mesure des variations d’intensité en fonction d’une distance pointe-échantillon tenue fixe permet d’extraire des caractéristiques de densité des états électroniques d’une surface. Ces caractéristiques ne sont donc plus topologiques mais spectroscopiques : elles peuvent renseigner sur la composition chimique, les propriétés de conduction ou le degré d’oxydation de zones localisées de la surface d’un matériau. On parle alors de STS (pour Scanning Tunneling Spectroscopy). Le mode « hauteur constante » permet aussi de mesurer des caractéristiques électroniques des interactions entre la pointe et un élément local de l’échantillon (un défaut, une molécule adsorbée, par exemple).
Le STM peut être considéré comme l’instrument souche d’une nouvelle classe de microscopes, les microscopes en champ proche, qui sont autant de déclinaisons de son concept instrumental, celui d’aller sonder le champ proche. Chacune de ces déclinaisons consiste en un mode d’utilisation spécifique du même principe souche dans différents milieux : STM en ultravide, STM en solution liquide, STM électrochimique, STM optique (ce dernier permet de reproduire analogiquement la topologie d’une surface atomique en la « décalquant » sur des cristaux piézo-électriques à large surface, eux-mêmes observés au microscope optique). Des STMs avec plusieurs pointes surmontées d’un microscope électronique ont également été développés par le fabriquant O’micron. Plus tard, le STM sera utilisé non seulement comme un instrument de caractérisation mais comme un outil de manipulation d’atomes ou de molécules sur des surfaces. Le STM permettra alors de réaliser des structures rudimentaires « atome par atome », voire de produire des réactions chimiques en amenant deux molécules individuelles à réagir ensemble. Lié au départ majoritairement à la science des surfaces, il deviendra une figure de proue et un instrument fétiche des nanotechnologies.
Cependant, la nouveauté du STM ne doit pas masquer le fait qu’il s’apparente à des appareils plus anciens : le profilomètre à pointes, un instrument de mesure de la rugosité de surfaces datant des années 1920 et toujours utilisé pour des tâches de caractérisation industrielles ; le topographiner de Russel Young (1966, abandonné en cours de développement), qui était une sonde à émission de champ balayant une pointe au dessus d’une surface. Rapporter le STM à ces « prédécesseurs » permet de comprendre que, comme eux, le STM est d’abord une sonde ou un topographe avant d’être un microscope. Le STM est devenu un microscope en stabilisant un nouveau type d’image obtenu à partir d’un principe de « quasi-toucher ».

Par Sacha Loeve, avril 2011.