Comment lire une image STM ? Un exemple

Les images STM ne sont pas des photos mais des topographies, c'est à dire des cartes de relief. Les couleurs couramment observées sur ces images ne sont donc pas des couleurs réelles mais un moyen pratique de représenter le relief.
Pour illustrer différentes façons de représenter une topographie, voici un exemple tiré de travaux de recherche réalisés au lppm à l'université d'Orsay concernant le dépôt de molécules sur un cristal. Dans cet exemple, la même topographie d'un molécule individuelle est représentée de trois façons différentes :

phthalocyanine sur carbure de silicium (SiC) phthalocyanine sur carbure de silicium (SiC) phthalocyanine sur carbure de silicium (SiC)
Les nuances de gris traduisent ici l'altitude du relief allant de 0 nm (noir) à 0.6 nm (blanc).

Les couleurs sombres correspondent donc aux zones en profondeur et les couleurs claires aux zones en hauteur.
Représentation 3D.

Ce mode de représentation est couramment utilisé pour mieux rendre compte de la nature géométrique des images STM.
L'utilisation d'une échelle de couleurs plus variée, d'un effet d'ombrage et d'un lissage de l'image permettent parfois de mieux distinguer certains détails.

adsorption d'une phthalocyanine sur une surface de carbure de silicium - modèle atomique
Voici une image de synthèse représentant la molécule sur son cristal.

Que nous montrent réellement les images ?

Dans l'exemple précédent, la molécule en question est une molécule de phthalocyanine. C'est une molécule utilisée comme colorant bleu pour peintures. Le cristal en question est du carbure de silicium, un matériau aux propriétés très prometteuses qui remplacera peut être le silicium en électronique dans les années à venir.

Intéressons-nous aux différences entre la topographie et la structure atomique réelle .

La structure de la surface du cristal est assez particulière puisqu'elle se compose de pyramides très espacées. Ces pyramides sont clairement visibles sur les topographies et apparaissent comme un champ de bosses. La molécule est fixée au sommet de deux pyramides.

Par contre, la structure de la topographie de la molécule reflète peu la structure atomique réelle. Pourquoi la pointe semble-t-elle suivre une géométrie différente de celle des atomes de la molécule ? Et bien c'est là que je voulais en venir .

Je vous ai raconté qu'il était nécessaire de faire passer un courant entre la pointe et la surface lors du balayage. Et bien la valeur de ce courant dépend dépend non seulement de l'altitude, comme je l'ai déjà dit, mais aussi de la densité électronique de la surface. La densité électronique reflète la probabilité de trouver un électron en un endroit donné. Dans de nombreux cas (et surtout avec les molécules !! ) cette densité électronique ne suit pas fidèlement la structure atomique. Ca veut dire que cette densité peut être importante sur certains atome, ou groupement d'atomes et moins importante sur d'autres.

Voilà ce qu'il faut retenir :
"Lors du balayage, la hauteur de la pointe dépend non seulement du relief mais aussi de la densité électronique de la surface car la densité électronique influe sur la valeur du courant tunnel."
Voici un autre exemple amusant qui illustre aussi cet effet. Des chercheurs d'IBM aux états unis ont réussi à déposer et à manipuler avec la pointe des atomes de fer sur une surface métallique (du cuivre). Un par un , les atomes ont été disposés en cercle. Sur l'image finale des vaguelettes concentriques sont apparues à l'intérieur du cercle d'atomes. Comment est-ce possible ?

Les électrons dans un métal se comportent de façon très particulière : ils ne sont plus localisés autour des noyaux des atomes du métal mais peuvent circuler très librement dans tout le matériau, un peu comme un fluide. C'est d'ailleurs pour cette raison que tous les métaux sont d'excellents conducteurs de l'électricité. Cet aspect piscine d'électrons est mis en évidence dans cet exemple. Les bords de la piscine nanométrique constitués des atomes de fer donnent naissance à des vaguelettes de densité électroniques comme si les électrons se comportaient comme une onde. Ce caractère odulatoire des électrons (et plus généralement de n'importe quelle particule de matière) est un des grands principes de la mécanique quantique et cette expérience l'illustre joliment .


48 atomes de fer sont arrangés un par un en forme de cercle sur une surface de cuivre. On voit apparaître des vaguelettes concentriques mettant ainsi en évidence le caractère ondulatoire et délocalisé des électrons dans un métal.
source : D. Eigler, IBM Almaden, USA
http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/corral.html