Voir les atomes

Le microscope à effet tunnel fait partie des rares instruments dont les scientifiques disposent pour comprendre la matière à l’échelle atomique. D’abord inventé pour mesurer les propriétés électriques des surfaces, il s’est révélé être un outil particulièrement efficace pour non seulement observer des surfaces métalliques et semi-conductrices, mais également pour obtenir quantité d’informations physiques, chimiques, électroniques et mécaniques  sur de nombreux systèmes dont les dimensions sont très réduites.

Son principe de fonctionnement repose sur la détection d’un courant entre une pointe métallique et une surface métallique ou semi-conductrice. Lorsque ces deux électrodes sont suffisamment proches l’une de l’autre sans être en contact, à une distance d’à peu près 1 milliardième de mètre (soit 1 nanomètre ou 10 angströms), et qu’une tension électrique est appliquée, il y a apparition d’un courant. Ce courant est appelé courant tunnel, car les électrons, qui sont à cette échelle à la fois particules et ondes, passent par effet tunnel au travers d’une barrière de vide qui est impénétrable en mécanique classique. Ce courant tunnel varie de manière exponentielle en fonction de la distance pointe – surface de l’échantillon ce qui explique la grande sensibilité de l’instrument. En balayant la surface avec la pointe à l’aide d’éléments piézoélectriques, les variations du courant permettent de remonter aux variations topographiques de la surface. L’image ci-dessous illustre l’observation d’une surface de silicium sur laquelle a été fabriqué un îlot de molécules de PTCDA par auto-assemblage. Chaque molécule à la surface de l’îlot est observée individuellement.

Les instruments du laboratoire en image

  • Documentaire sur la microscopie à effet tunnel (réalisé avec le CNRS images, 2004, 19 minutes): Au bout du tunnel, les atomes
  • Documentaire sur le Nanoprobe, un instrument unique pour l’observation, la caractérisation et la manipulation à l’échelle du nanomètre (réalisé avec le CNRS images, 2011, 8 minutes): Contact avec le nanomonde

Zoom sur quelques découvertes marquantes