TPE SUR LES MICROSCOPES

« trajet de la pointe Principe du microscope à effet tunnel convertisseur commande ,....-.{7'1.-., de position Y _ .Â.

w 1 asservissement électronique micros cope de ce genre : le microscope à champ proc h e optique , le microscope à effet tunn e l, et l e microscop e à force atomique.

Dans la mesure où l'on atteint facilement la résolution nanométrique avec ces microscope s , on leur attrib u e la désigna tion de « nanoscopes ».

MICROSCOPE À EFFET TUNNEL Dan s le micro scope à effet tunnel , l 'échantillon à examiner doit condu ir e r e l ative ment bien le courant électr ique.

On le porte à un potentiel négat if et on approche progress ivement de sa surface une pointe pos itive dont l 'extré mité est monoatomique.

Sans qu'il y ait contact entre l a pointe et l'échantillon , un courant é lectronique est collecté a u niveau de la pointe.

On soulève alors la point e, on la déplace latérale ment , on l'abaisse jusq u 'à ce que, à nouve a u, un courant soit collecté.

Puis on recommence .

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

L a fuite des électrons de la surface de l'échantillon vers la pointe se fait par effet tunnel.

Cela explique le nom donn é à ce f-------------...,-------------,--------------1 micros cope inventé au début des années 1980 par Gerd Binni g renvoy és, ainsi que les électrons secondaires et les rayons X collectés et d étecté s, renseig n ent sur l'état de la surfa ce, 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 métalli satio n, qui peut être faite par diver ses techniques.

L'ima ge ne se form e pas sur un film photo comme en microscopie à transmi ssion .

Elle est produite grâce a ux informations collect ées à partir des électron s secon daire s e t des ra yo nnements émis par l'échantillon.

Comme en microscopie électronique par tran smission, il est nécessaire que l'échantillon soit placé dans un vid e tr ès pous sé, de l'ordre de 10·' Pascal (la pression atmo sphérique est d 'environ 10,5 .1()4 Pa).

Afin que les échantillon s résistent a u vide poussé et n e se déforment pas, il est indispen sable de procéder à leur dessiccation (assèc hement ).

Cette technique, actuellement très répandue dans le domaine biomédical permet , entre autres, d'analyser de près la LES MICROSCOPES À EFFET DE CHAMP Le microscope à effet de champ a été inventé en 1936 par W.

Müller .

Son principe est très simpl e.

Une pointe métallique monocristalline et extrêmeme nt fine est placée d ans un vide poussé.

Elle est ensu it e portée à un potentiel négatif de l'ordre de 10 000 V par rapport à un écran fluor escent qui lui fait face.

Par un effet typiquement quantique, dit « effet tunnel », la p ointe perd des é lectron s dans le vide .

Ces dernier s se dirigent alor s ve rs l' écran fluores cent où leur impact provoque une émission de lumière et r é v è le ainsi l'image agrandie de la surface de la pointe .

Celle-ci renseig n e à son tour sur la structure cristalline de la pointe elle-même.

Dan s certains cas on peut dépo ser sur la point e, afin de les étudier, des atomes ou des molécule s étran gers.

On obtient des grossisse ments de l'ordr e du million .

Il faut noter ici que le terme " micro scope , est quelque peu impropre dans la mesure o ù cet appareil n'est équipé d 'aucun dispositif de focali sation.

Le micro scope à effet de champ est parfoi s appelé « micro scope à émission froide » car, contra ir em ent aux microsco pes électroniqu es, il ne possède pas d e canon à électrons ni de cathode chaude : ici, les électron s quittent la cathode -froide -parce que celle-ci est très pointue .

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

Il faut aussi noter que bien que les électron s quittent la point e par « effet tunn e l », il n e s'ag it pas ici de ce que l'on appelle un microscope à effet tunn el.

Cett e d ésignation est rése rvée à un autre type de microscope que nous décrivon s plus loin.

MICROSCOPE IONIQUE L e micro scope ionique , inve nté au cours des années 1950, est une variante du microscope à effet d e c h amp.

La différence essentie lle tient premièrement a u fait que la pointe n 'est pas placée dans un vide poussé mais dans une atmosphère d 'h é lium ou de néon (le plus souvent ) et, deux ièmement , au fait qu'elle est port ée à un potentiel positif (et non pas négatif , comm e dans le cas du microscope à effet de champ).

Au voisina ge de la pointe positive les a to m es du gaz perdent des électron s a u profit de la pointe et se charge nt positivement.

De ce f a it, ils sont violemment repoussé s par la pointe positive .

F in alemen t , tout se passe comme si la pointe , au lieu de p erdre des électro ns (comme dans le cas du micro scope à effet de champ classi que) perdait des cations .

Ces derniers, étant plus lourd s que les électrons, sont bien moin s dévié s sur leur traje t avant d'atteindre l'écra n fluore scent.

C'est l 'une des raiso ns p our laquell e l'image est plus précise que celle fourni e par le microscope à effet de c hamp classique .

Cette préci sion permet d'observer la structure de la matière dans tous ses d éta ils, comme p a r exemple des uistaux de tungstène .

Dans certain s cas, on peut aussi refroidir considé rableme nt la pointe positive afin de réduir e l'agitation thermique de ses atome s : l'image des atomes d e la pointe devient encore plus n ette.

LES MICROSCOPES À CHAMP PROCHE Les micro scopes à champ proche doivent le u r nom au fait que l'exame n de l'éch antillon se fait depuis une distance très courte , plus courte que la longueur d 'onde (qu'il s'ag isse de celle de la lumi ère en optique ou celle d e l 'onde électroniq ue de Broglie).

Dans ces cond itions, il devient possible d'exam iner des dét ails plus fins que la long ueur d'onde de l'onde en question .

On a tteint ains i des résolutio ns picométriques , c'est-à-dire de la t a ill e atomique .

Il exis te principa lemen t trois sortes de {Allemand) et H einrich Rohrer (Suisse) des laboratoires IBM à Zurich , et qui leur a valu le prix Nobel de physiq ue en 1986 , prix partagé avec Ernst Ruska (inven teur du microscope é lectronique 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 condu cteur électriqu e.

Ici, une pointe dont l'extrémité est mono atomiq ue s'approc h e tr ès près de l'écha ntillon jusqu 'à ce que la répulsion électrostatique entre le nu age électronique de l'atome à l'extrémité de la pointe et celui de l'atom e de l'échan tillon attei gne une certaine valeur.

Cette dernière est aux alentours du milliardième de newto n , soit la force qu'il faut exercer pour soulever un dix millionième de g ramme! O n relève alors la pointe e t on la dé place au­ dessus d 'un autre atome de l'échan tillon , avant de la rabai sser une nouvell e fois.

On répète cette opération de nombr euses fois et l 'o n obtient ainsi l'image du relief atom ique de l'échant illon.

Le microscope à force atomique a égalem ent été inventé par B innig et Rohrer {1986).

À sig na le r également , qu'avec le micr oscope à fo r ce atomiq u e i l d evie nt possible d'approcher la pointe suffisamment près de la surface de l'éch antillon pour y déposer ou y arrache r un atome.

Il devient ainsi envisagea ble de faire de la sculpture à l'éch elle atom ique ! LE MICROSCOPE ACOUSTIQUE Dans le m icroscope acoustique , l'onde lumineuse est rempl acée par une onde acoustique composée d'ultrasons dont la fréquence est située en tr e 10 mégahertz et 1 gi gahertz.

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

O n l'emploie notamme nt en m éta llur gie pour sonder l a matière en prof ondeur et y déce ler par exemple défauts et fractures.

L'échogrnphie , ou plutôt la micro ­ échographie , est une forme de micr osco pie acoustique .

Elle p ermet d'étudier, par exemp le , les structur es situées sous la peau (vaisseaux sanguins sous-cutanés ) ou l'état des os e t des cartilages.

LE MICROSCOPE ÉLECTRO-ACOUSTIQUE La microscopie électro -acou stique utilise la création, sur l'échantillon, d'on des acoust iques (c'es t-à-dire de vibrations) conséc utivement à son échauffeme nt périod ique.

Ce dern ier est provoqué par l'impact d'un faisceau pulsé d'électro ns {10kHz à 2 MHz ) qui balaye la surface de l'échant illon.

L'éner gie du faisceau est absorbée en surface et provo que un échauffement périodique , source d 'ondes acoustiques.

Comme en microscopie acoust ique classique, les vibrations engendrées se propagen t et renseig ne nt sur les défauts internes du matériau exam iné.

EFFET TUNNEL D'après la physique classique, il est impossible qu'à la tempér ature ambiante un métal , quelle que soit sa form e, perde des électrons s'il est plac é dans le vide .

Pourt ant l'expérience mon tre que c'est ce qui se produit.

Cett e perte est d 'autant plus importante que le métal est poin tu.

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

Cette notion stipule qu'à très pet ite échelle , celle des atomes, un grain de m atière, un atome ou une part icule, ne se comp orte 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 miniaturis é e .

En effet , on constate expérimentalement qu'à très petite échelle , un grain de matière n'est pas local isé, contrairement à un grain à grande échelle qui est forcé ment à chaque instant à un endroit bien préc is.

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

Sa position spatiale n 'est pas déte rminée , si bien qu'il peut être observé n'importe où, y compris là où la physique classique lui inter dit d 'être, par exemple hors d 'une poin te métallique placée dans le v ide.

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 raiso n de son caractère d élocalisé ...

C'es t cette présence hors de la pointe , interdite p ar la physiqu e classique , que l'on désigne par effet tunnel, en physiqu e quantiqu e.. »