La microscopie à effet tunnel à balayage permet aux chercheurs de cartographier la surface d’un échantillon conducteur atome par atome avec une ultra-haute résolution, sans utiliser de faisceaux d’électrons ou de lumière, et a révélé des aperçus de la matière au niveau atomique depuis près de quarante ans. Ce billet de blog fournira une vue d’ensemble de haut niveau de ce qu’est la microscopie à effet tunnel à balayage, comment elle fonctionne et comment elle a été appliquée dans la recherche.
Qu’est-ce que la microscopie à effet tunnel à balayage (STM) ?
La microscopie à effet tunnel à balayage, ou STM, est une technique d’imagerie utilisée pour obtenir des images à ultra-haute résolution à l’échelle atomique, sans utiliser de lumière ou de faisceaux d’électrons. La STM a été inventée en 1981 par deux scientifiques d’IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer. Cinq ans plus tard, cette invention leur a valu le prix Nobel de physique.
Le STM a été la première technique développée dans la plus grande classe des modes d’imagerie de la microscopie à sonde à balayage (SPM). À l’époque, elle permettait aux chercheurs de capturer beaucoup plus de détails que n’importe quelle microscopie précédente – jusqu’aux atomes et à l’espacement inter-atomique. Cette capacité d’ultra-haute résolution a permis aux chercheurs de cartographier avec précision la topographie tridimensionnelle et la densité électronique des états des matériaux conducteurs, et même de manipuler des atomes individuels à la surface de ces matériaux. Au cours des décennies suivantes, le STM a révolutionné le domaine de la nanotechnologie et continue de jouer un rôle important dans la recherche fondamentale et industrielle dans une variété de disciplines.
Image STM de graphite pyrolytique hautement orienté (HOPG)
Acquis dans l’air sur un microscope à sonde à balayage Cypher S d’Asylum Research, démontrant la capacité à résoudre la structure du réseau atomique. (taille de balayage de 5 nm)
Comment fonctionne le STM ?
Le STM est un exemple remarquable et rare d’exploitation d’un processus de mécanique quantique (l’effet tunnel des électrons) dans une application pratique du monde réel. Le terme « tunnel » fait référence à la situation où les électrons traversent une barrière (dans ce cas, un minuscule espace entre la pointe et la surface) qui semble initialement devoir être impénétrable – comme lancer une balle contre un mur. La physique qui décrit cette interaction balle-mur est appelée le « paradigme classique », et la balle ne traverse jamais le mur. Les électrons, en revanche, ont un caractère ondulatoire excentrique qui en fait un nuage « flou » (contrairement à une balle), de sorte qu’ils peuvent en fait exister simultanément des deux côtés de la barrière et ont donc une probabilité non nulle de traverser la barrière, même si l’énergie de la barrière est supérieure à l’énergie totale de l’électron.
La MST fonctionne en balayant une sonde conductrice pointue très près de la surface d’un spécimen conducteur et en forçant les électrons à traverser l’espace qui les sépare. Lorsque la pointe est suffisamment proche de la surface (généralement à <1 nm), le nuage électronique flou du premier atome de la pointe et de la surface commence à se chevaucher. L’application d’une tension de polarisation entre la pointe et la surface dans cette configuration produit un courant car les électrons sont amenés à traverser par effet tunnel la barrière de potentiel entre la pointe et la surface via le nuage d’électrons qui se chevauche. Ce courant par effet tunnel est très sensible à l’écart entre la pointe de la sonde et la surface, et varie de façon exponentielle avec la distance pointe-échantillon. Lorsque la pointe balaie ligne par ligne la surface de l’échantillon, l’intensité du courant par effet tunnel cartographie la densité d’états électroniques de l’échantillon.
Le STM fonctionne selon deux modes distincts : le mode à hauteur constante et le mode à courant constant. Le mode à hauteur constante est généralement utilisé lorsque la surface de l’échantillon est très lisse. Dans ce mode, la pointe de la sonde reste à une hauteur déterminée pendant qu’elle effectue un balayage rapide de la trame de l’échantillon. En mesurant les changements d’intensité du courant par effet tunnel en fonction de la position (x,y) et de la tension de polarisation, les chercheurs peuvent construire une image de la densité électronique des états de la surface de l’échantillon, des défauts, des orbitales moléculaires de frontière, et plus encore.
Le mode le plus populaire est connu sous le nom de mode à courant constant. Dans ce mode, le courant tunnel est maintenu constant par l’utilisation d’un système de boucle de rétroaction qui ajuste la distance entre la pointe et la surface. En d’autres termes, si le courant de tunnellisation dépasse la valeur cible, le système de contrôle par rétroaction augmente la distance entre la pointe et l’échantillon ; si le courant de tunnellisation est inférieur à la valeur cible, le système de contrôle par rétroaction rapproche la pointe de la surface de l’échantillon. Le profil de distance tridimensionnel résultant en fonction de la position (x,y) peut aider les chercheurs à mesurer un large éventail de caractéristiques, y compris la rugosité de la surface, les défauts, et la taille et la conformation des molécules sur la surface.
Les STM peuvent fonctionner dans un large éventail de conditions environnementales différentes. Souvent, les STM sont classés en deux catégories : les STM ambiants et les STM sous ultravide (UHV). Les STM ambiants fonctionnent généralement dans l’air ou d’autres gaz à une température proche de la température ambiante. Avec des pointes isolées spécialisées, les AFM ambiants peuvent également fonctionner dans des liquides. Oxford Instruments Asylum Research offre des capacités STM ambiantes à la fois sur nos SPM MFP-3D et nos SPM Cypher.
Les STM UHV diffèrent, évidemment, en ce qu’ils fonctionnent sous un vide très élevé. Cela se fait souvent dans des systèmes UHV hautement spécialisés où l’échantillon est cultivé ou gravé, puis imagé in situ. Leur fonctionnement sous vide leur permet de fonctionner dans une très large gamme de température, de près de zéro Kelvin à plus de 1000°C. Asylum Research ne propose pas de STM UHV, bien que le groupe Oxford Instruments Nanoscience produise des équipements UHV parfois utilisés avec les STM.
Quelles sont les utilisations des STM dans la recherche ?
Depuis sa découverte, le STM est à l’origine de percées majeures dans le domaine des nanotechnologies et a permis des recherches inédites dans diverses disciplines, notamment la science des semi-conducteurs, l’électrochimie, la chimie des surfaces, et plus encore.
Initialement, le STM a été utilisé pour caractériser la topologie de différents métaux et délimiter la structure atomique de leurs surfaces. Pour la première fois, les chercheurs ont pu discerner les propriétés des matériaux à l’échelle atomique, notamment la rugosité de surface, les défauts et les mécanismes de réaction en surface. En étudiant les réseaux atomiques des matériaux, les chercheurs ont pu commencer à comprendre les propriétés pertinentes pour la fabrication de composants électroniques, notamment la conductivité, les distributions des orbitales moléculaires de frontière et leurs énergies, et les dépendances des réactions aux orientations des facettes cristallines, pour n’en citer que quelques-unes.
Au fil des ans, la STM a commencé à être employée pour une variété d’applications en dehors de l’imagerie à l’échelle atomique. Il a été utilisé pour assembler et manipuler des atomes individuels sur une surface. Cela a ouvert de nouvelles perspectives pour la nanotechnologie, notamment la génération de nanostructures telles que les corrals quantiques et les interrupteurs moléculaires. Les contacts sur les nanodispositifs peuvent également être construits avec le STM en déposant des métaux (tels que l’or, l’argent ou le tungstène) selon un modèle spécifique. Les chercheurs ont également utilisé le STM pour induire des réactions chimiques et étudier les mécanismes de réaction ultérieurs au niveau moléculaire.
Les STM ambiants sont couramment utilisés pour étudier la structure des molécules auto-assemblées sur des surfaces car ils peuvent souvent résoudre des molécules uniques et même la structure sub-moléculaire. Par exemple, l’image ci-dessous montre clairement des molécules uniques d’acide 5-octadécoxyisophtalique dans une monocouche auto-assemblée sur HOPG.
Image STM d’une monocouche auto-assemblée d’acide 5-octadécoxyisophtalique sur du graphite pyrolytique hautement orienté.
Des modèles moléculaires sont superposés pour souligner l’ordonnancement moléculaire. Image obtenue sur un AFM Cypher, balayage de 15 nm. L’échantillon est une courtoisie de Matt Blunt, Université de Nottingham.
Plus récemment, le STM à faible courant a été utilisé sur le Cypher ES pour résoudre les détails au niveau de la molécule unique dans les couches auto-assemblées de nickel octaethylporphyrin (NiOEP) sur HOPG. La capacité d’imagerie à faible courant peut fournir une résolution plus élevée en permettant au STM de fonctionner à des courants de tunnel aussi bas que 300 femtoampères. Les images ci-dessous montrent des images STM à hauteur constante, mais la note d’application complète démontre une résolution similaire en mode STM à courant constant. Bien que le Cypher offre une résolution exceptionnelle en utilisant le STM, il convient de noter que le Cypher utilisant la microscopie à force atomique (AFM) en mode tapping peut réellement rivaliser avec cette résolution.
Images de courant STM à hauteur constante du réseau 2D de NiOEP sur HOPG
(A) Balayage de sondage de 50 nm montrant la limite du grain de NiOEP (flèches blanches), les régions zoomées et le motif moiré imagé avec un point de consigne de 6,4 pA. (B) Région zoomée de 10 nm imagée avec un point de consigne de 300 fA. (C) Région zoomée de 5 nm montrant une résolution moléculaire inférieure au nm, imagée avec un point de consigne de 60 pA. Encart : le modèle moléculaire CPK de NiOEP.