Institut des
NanoSciences de Paris
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Le microscope à effet tunnel : un instrument ‘quantique’ formidable

Découverte et principe

C’est en 1981 que deux physiciens allemands, Gerd Binning et Heinrich Rohrer (récompensés par le prix Nobel de physique en 1986), ont découvert le microscope à effet tunnel. Cet instrument est principalement basé sur un effet quantique : L’effet tunnel. De nos jours incontournable en physique des surfaces (étude des reconstructions de surface, spectroscopie de molécule, manipulation atomique et moléculaire…), il permet à la fois l’imagerie d’une surface conductrice (topographie) et la mesure de ses propriétés électroniques (spectroscopie), plus précisément de sa densité d’états locale.

Le microscope à effet tunnel met à profit la nature ondulatoire de l’électron qui lui donne la possibilité de franchir une barrière tunnel, même lorsque son énergie est inférieure à la hauteur de la barrière (fig. 1). En effet, lorsque la barrière n’est pas trop importante, la probabilité pour un électron de franchir la barrière est non nulle, ce qui est bien entendu inconcevable pour une particule classique !

igure 1 : Fonction d'onde électronique de part et d'autre d'une barrière de potentiel. La fonction d'onde à gauche de la barrière déborde à droite de la barrière, si bien que la probabilité de présence est non-nulle : en clair, un électron a une probabilité non-nulle de franchir la barrière.
Figure 1 : Fonction d’onde électronique de part et d’autre d’une barrière de potentiel. La fonction d’onde à gauche de la barrière déborde à droite de la barrière, si bien que la probabilité de présence est non-nulle : en clair, un électron a une probabilité non-nulle de franchir la barrière.

Ainsi, lorsqu’une pointe métallique se trouve à quelques Angströms d’une surface conductrice, les fonctions d’onde électroniques de la pointe et de l’échantillon se recouvrent, (comme deux nuages qui s’interpénètrent dans le ciel), et ceux-ci acquièrent alors une certaine probabilité de « sauter » de la pointe vers l’échantillon (et réciproquement de l’échantillon vers la pointe).

Figure 2 : a) Représentation artistique de la pointe et de l'échantillon ainsi que du recouvrement de leurs nuages électroniques respectifs.
Figure 2 : b) Décroissance exponentielle du courant tunnel en fonction de la distance entre la pointe et la surface.

Figure 2 : a) Représentation artistique de la pointe et de l’échantillon ainsi que du recouvrement de leurs nuages électroniques respectifs. b) Décroissance exponentielle du courant tunnel en fonction de la distance entre la pointe et la surface.

Quand une différence de potentiel est appliquée entre la pointe et l’échantillon, il en résulte un courant, appelé « courant tunnel ». Dans la situation d’une barrière tunnel épaisse, celui-ci décroît exponentiellement en fonction de la distance entre la pointe et la surface (fig. 2). Cette approximation est réalisée lorsque l’épaisseur de la barrière est grande devant la longueur caractéristique associée à la hauteur de la barrière JPEG , i.e. lorsque JPEG

Dans ces conditions le coefficient de transmission vaut :

JPEG

( Plus précisément, le coefficient de transmission dans cette approximation dépend de l’énergie et vaut :

JPEG - 3.2 ko

,où V0 est la hauteur de la barrière.)

Ainsi, dans la situation où une pointe métallique est balayée à hauteur constante au dessus d’une surface homogène, les variations du courant tunnel reflètent la morphologie de la surface (fig. 3). Celles-ci rendent possible « la visualisation des atomes » d’une surface. Plus précisément, on mesure les variations de densité électronique liées au réseau d’atomes sous jacent. Mais le mode habituel de fonctionnement consiste à balayer la pointe au dessus de la surface et de maintenir le courant constant à l’aide d’une boucle de contre-réaction. Le courant tunnel est typiquement de l’ordre de nA, voire de quelques pA et il est donc nécessaire d’utiliser un amplificateur de courant. Le positionnement de la pointe est réalisé avec une très grande précision, typiquement de l’ordre de l’Angström, grâce à des matériaux piézo-électriques.

Figure 3 : Quand la pointe est déplacée au dessus de l'échantillon à hauteur constante, une variation dans la topographie de la surface (ici une marche) donne lieu à une variation du courant tunnel. A partir de la valeur I(x,y) du courant tunnel en chaque point (x,y) de l'échantillon, on accède donc à la topographie de la surface.
Figure 3 : Quand la pointe est déplacée au dessus de l’échantillon à hauteur constante, une variation dans la topographie de la surface (ici une marche) donne lieu à une variation du courant tunnel. A partir de la valeur I(x,y) du courant tunnel en chaque point (x,y) de l’échantillon, on accède donc à la topographie de la surface.

Ci-dessous deux exemples d’image topographique : l’une pour une surface du supraconducteur NbSe2, l’autre d’îlots de plomb déposés sur une surface de silicium d’orientation cristallographique (111)

Figure 4 : Surface de NbSe2 (60Ǻ60Ǻ) observée par microscopie tunnel. Des modulations de la densité électroniques à l'échelle atomique, liées au réseau d'atome sous-jacent, sont visibles. Un défaut (à l'intérieur du cercle en orange), probablement une lacune, est visible dans l'image topographique.

Figure 4 : Surface de NbSe2 (60Ǻx60Ǻ) observée par microscopie tunnel. Des modulations de la densité électroniques à l’échelle atomique, liées au réseau d’atome sous-jacent, sont visibles. Un défaut (à l’intérieur du cercle en orange), probablement une lacune, est visible dans l’image topographique.

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Figure 5 : Image topographique d’îlots de plomb sur une surface de silicium orientée (111).

Mais le STM ne se contente pas seulement de renseigner sur la « géographie » physique de la surface, il fournit également des informations précieuses concernant ses propriétés électroniques... lire la suite