Dans cette page, je décris plus
précisément la pointe du microscope à effet tunnel
(STM):
sa nature, sa géométrie, son importance capitale et
quelques méthodes de fabrication.
Grossissements successifs de l'extrémité d'une pointe en argent vue
au microscope électronique à balayage (MEB, rien à
voir avec le STM).
La résolution des images par STM est entièrement
dépendante de la forme de la pointe, il faut qu'elle soit la
plus effilée possible pour augmenter les chances qu'un ultime et
unique atome participe au courant tunnel.
Nature de la pointe
Il faut bien entendu que la pointe soit conductrice pour que le courant
tunnel puisse s'établir. Les plus courantes sont en
tungstène, en argent, en or ou en iridium et sont la plupart du
temps non cristallines.
Fabrication par attaque chimique
C'est la méthode de fabrication des pointes en tungstène
ou en argent. Un fil d'un quart de
millimètre de diamètre est plongé dans une solution chimique corrosive
de composition parfois assez complexe. Dès qu'une
différence de potentiel entre la pointe et la solution est
appliquée, une réaction d'oxydoréduction s'engage
et la pointe est progressivement rongée, tout l'art consistant
à arrêter le courant ni trop tôt ni trop tard.
Suivant les matériaux, l'attaque peut durer entre quelques
minutes et une heure.
Fabrication interactive d'une pointe. Pour restaurer la pointe, cliquer dessus.
Fabrication par procédés mécaniques
Certaines méthodes nécessitent moins de moyens : il
suffit parfois simplement de sectionner le fil avec une pince en
molybdène sans aucun traitement ultérieur (pourquoi
s'embêter ?). Pour des matériaux plus tendres comme l'or,
on peut se contenter d'étirer un fil en or jusqu'à ce
qu'il casse, cette méthode semble donner des pointes
suffisamment escarpées à leur extrémité
pour donner de bonnes résolutions.
Amélioration des pointes
Si la pointe a un aspect correct sous microscope optique, on peut
l'introduire dans l'enceinte ultravide du STM. Comme tout
élément introduit dans l'enceinte, la pointe doit
être débarrassée de ses saletés
(essentiellement des molécules d'eau). On la bombarde donc avec
un faisceau d'électrons accélérés à
1 keV pendant quelques minutes. Ce n'est qu'après cette ultime
étape que la pointe peut être placée en vis
à vis de la surface à étudier.
Si malgré tous ces efforts les images STM ne sont pas
résolues, tout n'est pas perdu : on peut remodeler la pointe
pendant l'imagerie en augmentant légèrement la tension et le
courant de façon à établir un bombardement local
d'électrons à l'extrémité de la pointe.
Approche de la pointe et de la surface.
Comment s'y prend-on ? Pas question d'essayer d'approcher la pointe de
la surface à quelques angstroms visuellement ou manuellement, on
serait sûr d'écraser et d'endommager
irréversiblement la pointe, il faut trouver une astuce.
L'approche se fait en deux étapes. La première est une
approche visuelle et manuelle grossière de la pointe vers la
surface suivie par une caméra, on parvient ainsi à amener
la pointe à quelques dixièmes de millimètre de la
surface. La relève est assurée par une procédure
automatisée qui approche cette fois-ci la surface de la
pointe par sauts successifs jusqu'à ce que le courant
dépasse un seuil critique qui signifiera la contact pointe
surface. Cette approche lente et automatisée dure une vingtaine
de minutes et s'achève par une rencontre en douceur de la pointe
et de la surface.