Microscope a Effet Tunnel (STM)

[Patrix]

Bonjour à tous,

Je suis nouveau sur le forum, plutôt cantoné dans la paléontologie et l'archéologie.

Hier en rangeant des dossiers, je suis retombé sur une image que nous avions obtenu au CNRS, alors que j'étais encore étudiant.
Je l'ai toujours trouvée spectaculaire, je la mets en ligne pour en faire profiter les fanas de l'atome, et suis prêt à répondre à toutes vos questions.
Il s'agit d'un agregat (ébauche de cristalisation) d'Atomes d'Or sur un plan de graphite en Résolution Atomique (les atomes de Carbone étant imagés en vert).
Cette image a été obtenue à l'aide d'un Microscope à Effet Tunnel (STM).

Cdlt,
Patrix

[Paul_UTT]

Bonjour,

et l'image ? En tout cas la présentation est alléchante .

[Patrix]

Evidemment avec l'image c'est mieux.
J'ai tellement focalisé sur le texte que j'ai oublié de la joindre !

Xcuses !
Patrix

[.:Spip:.]

comme quoi la physique quantique est belle

[Patrix]

Salut,

Effectivement, nous sommes en pleine manifestation d'un phénomène quantique !

L'effet tunnel correspond au franchissement par les électrons de la barrière de potentiel.
Ce procédé ne permet d'obtenir que des images d'objets conducteurs.

J'ai travaillé aussi sur le petit frère du STM (Microscope a Effet Tunnel) qui est l'AFM (Atomic Force Microscope). Dans ce cas ce sont les forces d'interaction de Van der Waals qui entrent en jeu. Et l'imagerie des objets non conducteurs devient possible.
Tout comme avec son grand frère, la résolution atomique est obtenue.

[sai]

heu ouais, mais pour obtenir une resolution atomique avec un AFM il faut un materiau assez specifique... ca marche pas avec n'importe quoi! Le meilleur materiau pour ca est le Mica car il se decoupe en plan atomique. pour esperer obtenir la resolution atomique sur autre chose, il faut se debrouiller pour avoir une rugosité atomique, sans quoi ca risque d'etre tres dur...
Genre sur du dioxyde de silicium de 3 Angstroms de rugosité, c'est impossible d'avoir la resolution atomique.

[Konrad]

Très belle image, on reconnait le réseau du graphite en vert, et les atomes d'or... C'est effectivement un agrégat, les atomes sont un peu en bordel lol

De quel genre d'objet vient cette image ? Comment est-elle exploitée en archéologie ? Vous vous en servez pour dater des objets ? étudier leur structure ?

[.:Spip:.]

Pour les pointes des micro a effet tunel, j'avais entendu parlé de tingsten, je ne me souvien plus de la premiere etape mais la seconde etait un bombardement au electron je crois, enfin je ne sais plus bien....

[scientist]

Un fait une électolyse avec un acide je crois. D'où le cone.

[Patrix]

Merci pour vos remarques. Je vois que le sujet intéresse.
Voici les réponses à vos questions :

Saï : La résolution atomique est obtenue parce que l'on sait déplacer la pointe de lecture de quelques 10^ème d'angstrom dans le plan de lecture (x,y).
Il faut rester dans des proportions raisonnablement proportionnelles pour le déplacement vertical (z). On obtiendra donc d'autant plus facilement une résolution atomique que l'écantillon est plan ou quasiment.
Le mica est effectivement utilisé, il a l'avantage de présenter des atomes plus gros que le carbone.

Konrad : les atomes sont effectivement en "bordel"; notamment les atomes de Carbone au pied de l'agrégat d'or.
Il ne faut pas oublier que c'est une image quantique ! Lors de la phase de mesure, c'est un niveau d'énergie électronique de l'atome que l'on enregistre. En changeant la différence de potentiel entre pointe de lecture et échantillon, on peut obtenir une autre image (on fait de la spectroscopie !).
Revenons à l'image qui est en ligne : Déjà au niveau du réseau du graphite, nous ne voyons qu'un atome sur 2. Au pied de l'agrégat d'or, nous voyons tous les atomes de carbone car les atomes d'Or perturbent leur schéma des niveaux d'énergie.

Cette image n'a aucun rapport avec l'archéologie ! L'archéologie est une de mes passions, le physique de la matière ma formation.

Le Physicien et le Scientist : On utilise effectivement du tungstène, un fil que l'on plonge dans une solution.
Le fil est coupé au niveau de l'interface air/liquide lors de l'application d'une différence de potentiel. La pointe ainsi obtenue est en théorie mono-atomique à son extrèmité. Elle est "nettoyée" ensuite en l'approchant de l'échantillon et en applicant là-encore une différence de potentiel importante.

[.:Spip:.]

Oui voila c'est ca que j'avait lu, a l'endroit du menisque dans une solution Merci de ce rappel

[Konrad]

J'ajouterai juste que si on arrive à déplacer la pointe aussi finement, c'est grâce aux piezzo-électriques, ces cristaux qui se rétractent ou se dilatent selon la tension qu'on leur applique. Le quartz par exemple est le piezzo le plus utilisé je crois

[Patrix]

C'est tout à fait çà.
Par contre on utilise des matériaux beaucoup plus sophistiqués que le Quartz.

[spi100]

Pour les pointes des micro a effet tunel, j'avais entendu parlé de tingsten, je ne me souvien plus de la premiere etape mais la seconde etait un bombardement au electron je crois, enfin je ne sais plus bien....

Tungstène en ultra-vide, effectivement certains préconisent un bombardement avec un flux d'argon, de la pointe, une fois dans l'enceinte ultra-vide, pour la nettoyer. Mais ce sont des recettes de cuisine, et chacun la sienne, moi j'aimais pas trop. Une fois en régime d'imagerie, je préférais appliquer les brusques variations de tension pour forcer la pointe à se modifier.

Pour les images STM, à l'air, on utilise plutot des pointes de Pt-Ir, ça s'oxyde moins vide que le tungstène. Dans ce cas, la préparation est simple, tu prends une pince et tu coupes tout en étirant. Pragmatique mais efficace.

[spi100]

Un fait une électolyse avec un acide je crois. D'où le cone.

Tu utilises une solution ionique, genre dilution de Sodium. Tu plonges un petit anneau dans la solution, un film se forme sur l'anneau. Le fil de tungstène, traverse le film sans le rompre. Un ménisque se forme alors sur le fil. Tu fais ensuite passer un courant entre le fil et l'anneau, ça provoque une attaque chimique. Le fil prend bien la forme du ménisque, ce qui donne la forme en cône. Mais si tu regardes de plus près une pointe STM, au microscope électronique par exemple, tu vois, que l'extrémité est plutot 'poilue'. De plus petits fils de quelques angstroems de diamètre pendouillent. C'est l'un deux, un peu plus long que les autres, qui permet l'image.

La préparation beaucoup plus rustique, de couper le fil avec une pince marche aussi. Ca suggère que la forme parfaite en cône n'est absolument pas essentielle.