Les microscopes non photoniques (Travaux Pratiques Encadrés - Espaces pédagogiques interactifs)

« trajet de la pointe Principe du microscope à effet tunnel convertisseur commande ---------~ deposition ~ .

t asservissement électronique microscope de ce genre : le microscope à champ proche optique , le microscope à effet tunnel , et le microscope à force atomique .

Dans la mesure où l'on atteint facilement la résolution nanométrique avec ces microscopes, on leur attribue la désignation de « nanoscopes ».

MICROSCOPE À EFFET TUNNEL Dans le microscope à effet tunnel, l'échantillon à examiner doit conduire relativement bien le courant élect rique.

On le porte à un potentiel négatif et on approche progressivement de sa surface une pointe positive dont l 'extrémité est monoatomique.

Sans qu'il y ait contact entre la pointe et l'échantillon , un courant électronique est collecté au niveau de la pointe .

On soulève alors la pointe, on la déplace latéralement, on l'abaisse jusqu'à ce que, à nouveau, un courant soit collecté.

Puis on recommence .

De cette manière on obtient la «topographie » , le relief, de l'échantillon, atome par atome.

La fuite des électrons de la surface de l'écha ntillon vers la pointe se fait par effet tunnel.

Cela explique le nom donné à ce 1--------------,.------ -------r------------- _, microscope inventé au début des années 1980 par Gerd Binnig renvoyés, ainsi que les électrons secondaires et les rayons X collectés et détectés, renseignent sur l'état de la surface, ce qui permet d 'en faire une image.

Mais tout cela ne peut se faire que si la surface de l'échantillon a été préalablement soumise à une métallisation, qui peut être faite par diverses techniques.

L'image ne se forme pas sur un film photo comme en microscopie à transmission.

Elle est produite grâce aux informations collectées à partir des électrons secondaires et des rayonnements émis par l'échantillon.

Comme en microscopie électronique par transmission, il est nécessaire que l'échantillon soit placé dans un vide très poussé, de l'ordre de 10·• Pascal (la pression atmosphérique est d'environ 10,5 .10' Pa).

Afin que les échantillons résistent au vide poussé et ne se déforment pas, il est indispensable de procéder à leur dessiccation (assèchement).

Cette technique , actuellement très répandue dans le domaine biomédical permet entre autres , d'analyser de près la structure des virus, tels que le virus du sida (VIH) .

LES MICROSCOPES À EFFET DE CHAMP Le microscope à effet de champ a été inventé en 1936 par W.

Müller .

Son principe est très simple.

Une pointe métallique monocristalline et extrêmement fine est placée dans un vide poussé.

Elle est ensuite portée à un potentiel négatif de l'ordre de 10 000 V par rapport à un écran fluorescent qui lui fait face .

Par un effet typiquement quantique , dit « effet tunnel » , la pointé perd des électrons dans le vide.

Ces derniers se dirigent alors vers l'écran fluorescent où leur impact provoque une émission de lumière et révèle ainsi l'image agrandie de la surface de la pointe.

Celle-ci renseigne à son tour sur la structure cristalline de la pointe elle-même.

Dans certains cas on peut déposer sur la pointe, afin de les étudier , des atomes ou des molécules étrangers.

On obtient des grossissements de l'ordre du million.

Il faut noter ici que le terme «microscope" est quelque peu impropre dans la mesure où cet appareil n 'est équipé d'aucun dispositif de focalisation .

Le microscope à effet de champ est parfois appelé « microscope à émission froide >> car, contrairement aux microscopes électroniques, il ne possède pas de canon à électrons ni de cathode chaude : ici, les électrons quittent la cathode -froide - parce que celle-ci est très pointue.

Cela explique d'ailleurs pourquoi cet appareil est également appelé « microscope à effet de pointe».

Il faut aussi noter que bien que les électrons quittent la pointe par « effet tunnel », il ne s'agit pas ici de ce que l'on appelle un microscope à effet tunnel.

Cette désignation est réservée à un autre type de microscope que nous décrivons plus loin.

MICROSCOPE IONIQUE Le microscope ionique , inventé au cours des années 1950, est une variante du microscope à effet de champ.

La différence essentielle tient premièrement au fait que la pointe n'est pas placée dans un vide poussé mais dans une atmosphère d 'hélium ou de néon (le plus souvent) et deuxièmement, au fait qu'elle est portée à un potentiel positif (et non pas négatif, comme dans le cas du microscope à effet de champ ).

Au voisinage de la pointe positive les atomes du gaz perdent des électrons au profit de la pointe et se chargent positivement.

De ce fait ils sont violemment repoussés par la pointe positive.

Finalement, tout se passe comme si la pointe, au lieu de perdre des électrons (comme dans le cas du microscope à effet de champ classique ) perdait des cations.

Ces derniers, étant plus lourds que les électron s, sont bien moins déviés sur leur trajet avant d'atteindre l'écran fluorescent.

C'est l'une des raisons pour laquelle l'image est plus précise que celle fournie par le microscope à effet de champ classique .

Cette précision permet d'observer la structure de la matière dans tous ses détails , comme par exemple des cristaux de tungstène .

Dans certains cas, on peut aussi refroidir considérablement la pointe positive afin de réduire l'agitation thermique de ses atomes : l'image des atomes de la pointe devient encore plus nette.

Les microscopes à champ proche doivent leur nom au fait que l 'examen de l'échantillon se fait depuis une distance très courte, plus courte que la longueur d'onde (qu'il s 'agisse de celle de la lumière en optique ou celle de l'onde électronique de Broglie).

Dans ces conditions , il devient possible d 'examiner des détails plus fins que la longueur d'onde de l'onde en question .

On atteint ainsi des résolutions picométriques , c'est -à-dire de la taille atomique .

Il existe principalement trois sortes de (Allemand) et Heinrich Rohrer (Suisse) des laboratoires IBM à Zurich, et qui leur a valu le prix Nobel de physique en 1986 , prix partagé avec Ernst Ruska (inventeur du microscope électro niqu e à transmission).

MICROSCOPE À FORCE ATOMIQUE Dans le microscope à force atomique (AFM en anglais), il n'est pas nécessaire que l'échantillon soit un conducteur électrique .

Ici, une pointe dont l'extrémité est monoatomique s 'approche très près de l'échantillon jusqu'à ce que la répulsion électrostatique entre le nuage électronique de l'atome à l'extrémité de la pointe et celui de l'atome de l'échantillon atteigne une certai ne valeur.

Cette dernière est aux alentours du milliardième de newton, soit la force qu'il faut exercer pour soulever un dix millionième de gramme! On relève alors la pointe et on la déplace au­ dessus d'un autre atome de l'échantillon, avant de la rabaisser une nouvelle fois.

On répète cette opération de nombreuses fois et l'on obtient ainsi l'image du relief atomique de l'échantillon.

Le microscope à force atomique a également été inventé par Binnig et Rohrer {1986) .

À signaler également, qu'avec le microscope à force atomique il devient possible d'approcher la pointe suffisamment près de la surface de l'échantillon pour y déposer ou y arracher un atome.

Il devient ainsi envisageable de faire de la sculpture à l'éche lle atomique ! LE MICROSCOPE ACOUSTIQUE Dans le microscope acoustique , l 'onde lumineuse est remplacée par une onde acoustique composée d 'ultrasons dont la fréquence est située entre 10 mégahertz et 1 gigahertz.

Ce type de microscope est très utile pour l'étude d'objets opaques à la lumière .

On l'emploie notamment en métallurgie pour sonder la matière en profondeur et y déceler par exemple défauts et fractures .

L'échographie, ou plutôt la micro­ échographie, est une forme de microscopie acoustique.

Elle permet d'étudier, par exemple , les structures situées sous la peau (vaisseaux sanguin s sous-cutanés) ou l 'état des os et des cartilages.

LE MICROSCOPE ÉLECTRO-ACOUSTIQUE La microscopie électro-acoustique utilise la création , sur l'échantillon , d'ondes acoustiques (c'est-à -dire de vibrations) consécutivement à son échauffement périodique.

C e dernier est provoqué par l'impact d'un faisceau pulsé d 'électrons {10kHz à 2 MHz) qui balaye la surface de l 'écha ntillon .

L'énergie du faisceau est absorbée en surface et provoque un échauffement périodique, source d 'ondes acoustiques.

Comme en microscopie acoustique classique , les vibrations engendrées se propag ent et renseignent sur les défauts internes du matériau examiné .

EFFET TUNNEL D'après la physique classique, il est impossible qu'à la température ambiante un métal, quelle que soit sa forme, perde des électrons s'il est placé dans le vide.

Pourtant l'expérience montre que c'est ce qui se produit .

Cette perte est d'autant plus importante que le métal est pointu .

Cela ne peut s'expliquer que dans le cadre de la physique quantique et de la dualité onde-corpuscule qui est au cœur de cette théorie .

Cette notion stipule qu'à très petite échelle, celle des atomes, un grain de matière, un atome ou une particul e, ne se comporte pas comme un grain habituel du monde macroscopique : cela signifie que l'on ne peut pas considérer qu'un grain aussi petit qu'un atome est une bille miniaturisée .

En effet on constate expérimentalement qu'à très petite échelle, un grain de matière n'est pas localisé, contrairement à un grain à grande éche lle qui est forcément à chaque instant à un endroit bien précis.

À l'échelle des atomes, un grain, comme un électron, est délocalisé : il est potentiellement partout à la fois.

Sa position spatiale n'est pas déterminée, si bien qu'il peut être observé n'importe où, y compris là où la physique classique lui interdit d'être, par exemple hors d'une pointe métallique placée dans le vide.

Tout se passe comme si l'électron avait quitté la pointe.

En « réalité >>, il ne l'a pas quitté, puisqu'il n'y était jamais précisément en raison de son caractère délocalisé ...

C'est cette présence hors de la pointe, interdite par la physique classique, que l'on désigne par effet tunnel, en physique quantique.. »