Développement d’une platine de déplacements nanométriques

Etude bibliographique et enjeu pour l’imagerie rapide

La microscopie en champ proche, dont fait partie la microscopie à force atomique, est une technique d’analyse de surface par balayage d’une sonde très fine assimilée à une pointe. Le déplacement de cette sonde au voisinage de l’objet permet de reconstituer la topographie point par point au moyen du signal d’interaction pointe-surface. Cette technique de caractérisation des matériaux est née en 1981 avec l’invention du microscope à effet tunnel (STM) par des chercheurs d’IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui ont reçu en 1986 le prix Nobel de physique pour cette invention [1]. La résolution spatiale obtenue pour l’observation des surfaces par cette méthode est inférieure à l’Angström, ce qui est impossible à obtenir avec un microscope optique classique, indépendamment du grossissement employé. En microscopie optique, la résolution spatiale est limitée par le phénomène de diffraction à quelques centaines de nanomètres au mieux. En effet, sur un microscope optique conventionnel, les parties les plus importantes sont l’objectif et la lentille. L’objet est éclairé par réflexion ou transmission et l’objectif capte la lumière diffractée par l’objet pour en reconstituer une image. Le pouvoir de résolution est donc limité au caractère ondulatoire de la lumière et la diffraction par l’objectif. Le critère de Rayleigh interdit de séparer deux points de l’objet plus rapprochés que la demi-longueur d’onde. En lumière visible, le pouvoir séparateur est théoriquement de l’ordre de 0,25µm, et en pratique de l’ordre du micromètre. La microscopie en champ proche permet donc une analyse plus précise qu’en microscopie classique. Cette méthode est devenue un instrument incontournable pour le développement des nanosciences et nanotechnologies depuis près de 30 ans. Chap I Etude bibliographique et enjeu pour l’imagerie rapide 9 I.1 Principe : En 1981, Binnig et Rohrer inventent le microscope électronique à effet tunnel (STM pour Scanning Tunneling Microscope). Leur découverte va provoquer un renouveau de la recherche en microscopie et donner naissance à de nombreux microscopes fondés sur un principe complètement nouveau en exploitant les phénomènes d’interaction en champ proche. On peut considérer que leur invention puis celle du microscope à force atomique en 1985 (Atomic Force Microscope) marquent la naissance d’une nouvelle microscopie : la microscopie à sonde locale ou en champ proche. La grande originalité de la microscopie en champ proche est de s’affranchir du régime de propagation de la lumière, et donc des limites de résolution qu’il impose, en plaçant la sonde à proximité immédiate de l’échantillon [2]. Dans un microscope en champ proche, la sonde détecte une grandeur physique caractéristique de son interaction avec l’échantillon comme le courant tunnel, les forces de surface, le champ électromagnétique… Dans ces conditions, la résolution latérale de l’image dépend principalement de la forme de la sonde et de la distance pointe-échantillon. Cette sonde est placée à une distance d de l’ordre de quelques nanomètres de la surface de l’échantillon. Elle est solidaire d’un dispositif qui guide son déplacement. Grâce à un système de céramiques piézoélectriques, elle peut être très précisément déplacée par rapport à l’échantillon dans les trois dimensions de l’espace : Ox, Oy dans le plan de la surface et Oz verticalement à celle-ci.

Le Microscope à Effet Tunnel (STM)

L’effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique, comme un électron, de traverser une barrière de potentiel même si son énergie est inférieure à l’énergie minimale requise pour franchir cette barrière. Dans un microscope à effet Tunnel STM, on place une pointe métallique en vis à vis de la surface conductrice ou semi-conductrice à étudier à une distance de l’ordre du nanomètre. Sous l’effet d’une polarisation pointe-surface, un courant électrique apparaît, résultant du passage d’électrons entre la pointe et la surface par effet Tunnel. Ce courant varie de façon exponentielle en fonction de la distance d séparant la pointe de l’échantillon, avec une longueur caractéristique de quelques dixièmes de nanomètres. La figure ci-dessous présente un diagramme énergétique de la barrière de potentiel constituée par deux électrodes planes métalliques séparées par une distance d’isolant et entre lesquelles on a appliqué une tension V. Dans ce modèle, le courant tunnel I résulte de toutes les transitions électroniques depuis les états électroniques occupés d’une électrode vers les états électroniques inoccupés de même énergie de l’électrode en regard. Figure 4 Principe des interactions pointes – surface [5] Chap I Etude bibliographique et enjeu pour l’imagerie rapide 13 Pour des faibles tensions et à température nulle, le calcul du courant I conduit à l’expression suivante : I = aV exp (- k · s) avec a et k des constantes, V, la tension appliquée, s, la distance sonde échantillon, La dépendance exponentielle du courant tunnel explique l’extrême sensibilité du microscope à effet tunnel à la topographie. La résolution atomique est couramment obtenue, toutefois, l’utilisation du STM est limitée aux surfaces conductrices ou semi-conductrices. Afin d’atteindre la précision nécessaire, l’échantillon à analyser est positionné par un système asservi utilisant des céramiques piézoélectriques. En 1990, le microscope à effet tunnel a notamment permis à des chercheurs d’IBM d’écrire et d’observer les premières lettres de l’histoire des nanotechnologies en disposant 35 atomes de xénon sur une surface de nickel, ces 35 atomes dessinant les trois lettres IBM.