Institut des
NanoSciences de Paris
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Microscopie en champ proche

JPEG L’avènement il y a un quart de siècle des microscopies en champ proche a complètement bouleversé le paysage de la recherche en matière condensée. Basées sur la détection d’un signal issu d’une interaction à courte portée entre une sonde fine (une pointe) et l’objet d’études (surface, nano-objets etc.) ces microscopies ont permis non seulement une observation aisée du nano-monde mais également, l’étude de celui-ci par l’analyse fine – spectroscopie - de l’interaction sonde-objet. Très répandues dans les laboratoires de recherches ces microscopies sont aujourd’hui couramment employées pour le suivi in-situ de la croissance de nano-structures en surface, dans l’analyse de leur morphologie et dans l’étude de leurs propriétés locales de toutes sortes. Plus encore, utilisées comme sondes invasives, les microscopies en champ proche permettent une nano-structuration des surfaces, elles sont au cœur des approches du type « bottom-up ». Ainsi, outre leur rôle majeur qu’elles jouent en physique et physico-chimie de surfaces, ces microscopies sont devenues incontournables dans de nombreux domaines de recherche actuels tels que l’électronique moléculaire, la spintronique, la supraconductivité, l’optique de nanostructures, la nano-plasmonique, la physique mésoscopique etc.

Dans la mouvance générale actuelle vers l’étude des propriétés électroniques d’un seul nano-objet sélectionné (afin de s’affranchir des effets de la moyenne sur un ensemble d’objets aux propriétés a priori hétérogènes) les microscopies en champ proche et, surtout, les spectroscopies locales, jouent un rôle de plus en plus important. En effet, elles permettent d’isoler et ensuite d’étudier aisément un seul nano-objet, leur résolution allant jusqu’à la limite des orbitales atomiques. De plus, les microscopies en champ proche sondent la partie évanescente des interactions ou des phénomènes en jeu, elles peuvent donc être utilisées de manière très peu invasive. Cette force constitue également la faiblesse de ces techniques. En effet on accède aux propriétés des objets par leur surface or la surface présente en général une symétrie différente du volume du matériau, les propriétés mesurées en spectroscopie de champ proche ne sont donc pas toujours représentatives de celles du volume.

Trois tendances de fond sont à souligner :

La première tendance, largement majoritaire par son poids dans la communauté, consiste à placer les microscopes en champ proche dans un environnement parfaitement contrôlé. En effet, la structure électronique des nano-objets étant très fragile, toute interaction, même faible, entre les nano-objets ou entre le nano-objet et son environnement conduit à une perturbation conséquente de ses propriétés. La plupart des nano-objets se détériorent voire disparaissent complètement en réagissant avec l’air ambiant. Il est donc nécessaire non seulement de pouvoir créer et d’isoler les nano-objets, mais également de les placer dans un environnement parfaitement contrôlé pour rendre possible l’étude de leurs propriétés. C’est pour cette raison que la tendance de fond consiste à élaborer les nano-objets in-situ sous ultravide pour une étude ultérieure par spectroscopie (alternativement, un milieu liquide peut également être utilisé). De plus, certaines propriétés quantiques se manifestant uniquement à basse température, les microscopes sont de plus en plus souvent placés dans un environnement cryogénique. Dans ce domaine en pleine expansion, quelques industriels ont réalisé au cours de ces dernières années des progrès considérables. Par exemple, des microscopes à effet tunnel et plus récemment à force atomique, fonctionnant sous ultravide et à basse température jusqu’à 4K, extrêmement rares il y a encore 10 ans, sont aujourd’hui fiables et proposées comme outils standard par plusieurs sociétés d’instrumentation scientifique. On constate une « démocratisation » de ces outils performants et leur arrivée massive dans des laboratoires de la matière condensée. Certains laboratoires, à la pointe de ce progrès, vont encore plus loin, en mettant au point les microscopes fonctionnant à très basse température (jusqu’au quelque dizaines de milli-Kelvin) et dans des champs magnétiques de plusieurs Tesla. L’étude des propriétés électroniques de nano-structures dans ces conditions extrêmes contribue à repousser davantage les frontières des nano-sciences.

La deuxième tendance, plus instrumentale, s’articule autour du développement de nouvelles microscopies et spectroscopies en champ proche, en exploitant diverses interactions à courte portée. A travers ces interactions de nouvelles propriétés des nano-objets sont étudiées ; les interactions inter-particules, leur propagation, la portée des interactions, les propriétés de cohérence sont objet de multiples études. Initialement inventées sous deux types de microscopies – à effet tunnel (Scanning Tunneling Microscope, STM) et à force atomique (Atomic Force Microscope, AFM), les microscopies en champ proche représentent aujourd’hui un vaste domaine d’instrumentation, toujours en forte expansion. Les microscopies à sonde magnétique, électrostatique, à sonde de Kelvin, en champ proche optique et microscopie d’électrons balistiques et polarisés en spin ont vu le jour, leurs performances ne cessent d’être améliorées. Dans cette mouvance et contrairement au passé (encore récent !) où les nouvelles microscopies étaient mises au point de « A » à « Z » au sein des laboratoires, aujourd’hui les chercheurs se basent de plus en plus souvent, dans leur travail d’instrumentation, sur des instruments commerciaux dont ils améliorent les caractéristiques voire les modifient profondément. Ainsi, des améliorations significatives en détection de courants tunnel très faibles ont permis d’avancer dans l’étude des molécules uniques et de leur couplage avec divers environnements (substrats métalliques, semiconducteurs ou isolants ultra-minces), de relever, par spectroscopie tunnel inélastique, leurs spectres vibrationnels etc. Un autre exemple est la fonctionnalisation des pointes STM (ou sondes AFM) qui permet ainsi, par exemple, la spectroscopie tunnel résolue en spin, ce qui contribue à l’essor important de l’étude du magnétisme des nano-objets individuels et de la spintronique.

La troisième voie consiste à utiliser la sonde d’un microscope en champ proche comme un moyen de perturber très localement un objet unique pour en mesurer la réponse. Ces approches sont très répandues en optique champ proche (par exemple, l’exaltation du champ au voisinage de la pointe métallique fine influence localement l’efficacité d’émission de la lumière par un nano-objet, détectée en champ lointain). Ces approches commencent à être employées dans plusieurs domaines ; l’étude de l’influence du champ électrique local dans le comportement d’un nano-circuit cohérent par Scanning Gate Microscope en est un exemple.