Principe simplifié

Son principe de fonctionnement est relativement simple . Contrairement aux microscopes classiques qui fonctionnent avec de la lumière, un STM utilise une pointe mobile très pointue (idéalement terminée par un unique atome) qui va servir à scanner la surface. Lors du balayage, le dernier atome de la pointe suit le relief de la surface et c'est en détectant le mouvement de la pointe qu'on remonte à la géométrie de la surface. En pratique, on balaie ligne par ligne une zone carrée pour reconstituer une image.
animation d'une pointe STM balayant une surface


Surface d'un échantillon de germanium obersvée par un microscope à effet tunnel.
Chaque boule correspond à un atome de germanium (cette image fait apparaître un atome manquant).

Où est la prouesse ?

Des gens se demandent souvent comment d'autres gens parviennent à tailler une pointe aussi finement .

En réalité, ce n'est pas si compliqué. Quand on y réfléchit, il y a toujours un ultime atome à l'extrémité de n'importe quel objet .

La prouesse réalisée avec un STM ne se trouve pas là. La prouesse consiste en fait à mesurer des déplacements de la pointe inférieurs au nanomètre, ça c'est dur! Mais ceci est rendu possible grâce à des matériaux aux propriétés fascinantes : les cristaux piézo-électriques.
Et c'est quoi des cristaux piélozétréliques ? On verra ça plus tard, il y a encore plus important .

Principe détaillé - l'effet tunnel

À vrai dire, si l'on s'y prenait exactement de cette façon, tout marcherait très mal et nous n'obtiendrions pas la résolution atomique. Pourquoi ? Parce que la pointe viendrait plutôt labourer la surface, à moins que ce ne soit la pointe qui s'élime elle-même comme une mine de crayon .

Pour éviter ce dénouement mélodramatique , les chercheurs d'IBM ont utilisé une astuce qui fut la clé de la résolution spectaculaire et qui repose sur un mécanisme qui a donné son nom au microscope à effet tunnel !

Lors du balayage, on applique une tension de quelques volts entre la pointe et la surface pour que puisse passer un courant. La valeur de ce courant va dépendre de la distance entre la pointe et la surface.

"Comment ça ?! me direz vous, si la pointe ne touche pas la surface, le courant ne va jamais passer ! "

Un courant électrique peut s'établir dès lors que l'extrémité de la pointe est distante d'environ un nanomètres de la surface. C'est l'effet tunnel de la mécanique quantique. Ce phénomène provient du fait que toute matière n'a pas de frontière bien définie sur ses bords : un atome n'est pas un bille sphérique aux frontières bien nettes mais plutôt un nuage dont la densité décroit avec la distance. La décroissance exponentielle de cette densité est à l'origine de la décroissance exponentielle du courant en fonction de la distance pointe/surface. En résumé : plus c'est loin, moins il y a de courant.

animation montrant la variation du courant tunnel en fonction de la distance entre la pointe et la surface
En quoi cela nous aide ? et bien c'est que ce nous allons voir maintenant . Le principe clé de l'astuce en question tient en cette simple phrase :

"la courant tunnel est mesuré en permanence et la distance pointe/surface est continuellement réajustée de façon à maintenir ce courant constant."


Ca s'appelle une boucle de rétroaction. Ce processus est pris en charge automatiquement par un dispositif électronique pendant le scan, le chercheur ne s'occupe de rien de ce côté là, et la valeur du courant en question est de l'ordre du nanoampère (et oui, encore du nano...).

Bilan de toute l'histoire : on arrive à suivre le relief de la surface... à distance ! donc sans la labourer. Autre avantage, ce courant tunnel est très localisé ce qui joue en faveur d'une très haute résolution.

animation d'une pointe STM balayant une surface


Le monstre

photo d'un microscope à effet tunnel fonctionnant sous ultra-vide
Un microscope à effet tunnel sous ultra vide ressemble à ça.
Celui-ci a 10 ans, pèse près d'une tonne et a couté environ 2 millions de francs.
La pointe et la surface se cachent quelquepart...