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Approche documentaire
MP* 14/15
` EFFET TUNNEL
MICROSCOPE A
Document 1 : description d’un microscope `
a effet tunnel
Le microscope a` effet tunnel, connu sous l’acronyme STM, est la premi`ere des sondes locales `a balayage `
a avoir
permis l’observation directe d’atomes `
a la surface d’un solide. Il a ´et´e mis au point en 1981 par G.Binnig et H.Rohrer,
chercheurs au laboratoire d’IBM `
a Zurich. Ils re¸curent en r´ecompense de leurs travaux le prix Nobel en 1986.
Le fonctionnement du STM est sch´ematiquement illustr´e sur la figure ci-dessous :
!
Un dispositif m´ecanique permet une premi`ere approche d’une pointe m´etallique conductrice, g´en´eralement en tungst`ene
ou en alliage de platine iridium, vers la surface `
a ´etudier d’un ´echantillon conducteur ou semi-conducteur. La distance
entre la pointe et la surface est alors d’environ 1nm, ce qui correspond `a quelques plans atomiques. Pour les ´electrons
de la surface ou de la pointe, il est classiquement impossible de traverser l’intervalle de vide qui s´epare la pointe de la
surface. En effet, pour qu’un ´electron puisse s’extraire d’un conducteur, une ´energie doit lui ˆetre fourni, on l’appelle
travail de sortie Φ.
Toutefois, lors de l’application d’une faible tension de polarisation continue Vt entre la pointe et l’´echantillon, qui
forment les deux ´electrodes de la jonction, il apparaˆıt un courant d’intensit´e It .
Des c´eramiques pi´ezo´electriques permettent de r´ealiser un balayage de la surface de l’´echantillon avec pr´ecision
(de l’ordre du pm pour les d´eplacements perpendiculaires `a la surface, et de l’ordre de la dizaine de pm pour les
d´eplacements parall`eles `
a cette derni`ere). Un syst`eme ´electronique et informatique permet ensuite la d´etection et
l’amplification du courant It , le pilotage avec asservissement de la pointe, le traitement et la visualisation des donn´ees.
Document 2 : effet tunnel
Rappel sur l’effet tunnel : lorsqu’un quanton (ici un ´electron) d’´energie E arrive sur une barri`ere de potentiel,
de largeur L et de hauteur Vo > E, il poss`ede une probabilit´e non nulle de franchir cette barri`ere, et le facteur de
transmission associ´e est donn´e par :
r
1
Vo2
2m(Vo − E)
T =
avec M =
et k2 =
2
4E(V
−
E)
~2
1 + M sinh (k2 L)
o
Ce coefficient de transmission admet une expression simplifi´ee lorsque k2 L >> 1.
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Document 3 : intensit´
e d’un STM et ordres de grandeurs
Les mesures effectu´ees avec le STM permettent de montrer que, `a tension impos´ee, log(It ) varie avec la distance z
entre la pointe et la surface de la fa¸con approch´ee selon la courbe ci-dessous.
De plus, on peut montrer que pour de faibles tensions Vt appliqu´ees, le courant It varie proportionnellement `a Vt , `a z fix´e.
Les valeurs typiques des param`etres sont : de l’ordre du nA
pour It , de la centaine de mV pour Vt , de 4 `
a 5 eV pour Φ et de
quelques dixi`emes de nm pour z.
Toutefois, une analyse plus compl`ete montre que le courant
ne d´epend pas uniquement de la distance entre la surface et la
pointe, mais ´egalement de la densit´e ´electronique `a l’endroit o`
u se
trouve la pointe sur la surface de l’´echantillon. Si la pointe rencontre un endroit de la surface o`
u il existe une densit´e ´electronique
tr`es ´elev´ee, alors un fort courant sera ´emis et on observera l’image
d’une bosse. Tr`es souvent, une forte densit´e ´electronique correspond `
a `
a la pr´esence d’un atome, mais il peut arriver que des
poches d’´electrons soient pr´esentes entre les atomes.
Document 4 : modes topographiques d’un STM
!
Il y a deux modes de fonctionnement possibles pour effectuer de l’imagerie avec un STM :
• le mode `
a courant constant : c’est le mode
le plus couramment utilis´e. On asservit la position verticale de la pointe pour que le courant tunnel reste constant, et on enregistre la
hauteur de la pointe Z en fonction de ces coordonn´ees lat´erales X et Y .
• le mode `
a hauteur constante : il est possible d’atteindre des vitesse de balayages plus
importantes en d´epla¸cant la pointe au-dessus
de la surface sans ajuster sa hauteur, et en enregistrant les variations du courant tunnel en
fonction des coordonn´ees lat´erales X et Y .
Modes `a intensit´e constante `a gauche, hauteur constante `
a droite
Document 5 : contraintes exp´
erimentales
La mise en oeuvre exp´erimentale fait ressortir quelques contraintes exp´erimentales
fortes. Etant donn´es les ordres de grandeur de la distance pointe-surface, il ne faut
pas que l’apex de la pointe pr´esente des asp´erit´es. Les pointes sont donc effil´ees
´electrochimiquement, et sont construites avec des mat´eriaux r´esistants. Leur finesse
intervient directement dans la r´esolution du STM (90% du courant tunnel circule
entre l’atome `
a l’extr´emit´e de la pointe et celui de l’´echantillon le plus proche), c’est
pour cela qu’on essaie d’obtenir des pointes dont le bout est compos´e d’un atome
unique.
Le microscope doit ˆetre construit avec des mat´eriaux tr`es rigides, et isol´e des
vibrations ext´erieures, qui peuvent perturber les mesures.
Le microscope est donc pos´e sur une couche de mousse, filtrant les hautes fr´equences, elle-mˆeme coll´ee sur un socle
en granit poss´edant des pieds anti-vibration, filtrant les basses fr´equences. Il est utilisable `a, l’air, dans un liquide, `
a
basse temp´erature ou en ultravide. C’est dans cette derni`ere configuration qu’on obtient les meilleurs images.
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Document 6 : utilisations d’un STM
Les images obtenues avec un STM donnent des renseignements sur la topographie et la densit´e ´electronique `
a la
surface du mat´eriau. La mesure de diff´erences de conductivit´e sur celle-ci est aussi possible. On l’utilise en vue de
contrˆ
ole d’´etats de surface mais on peut aussi l’utiliser pour d´eplacer des atomes ! C’est une microscopie relativement
bon march´e (8000 e), moins ch`ere que la microscopie `a force atomique, ou ´electronique.
QUESTIONS
Apr`es lecture du document, r´epondre aux questions suivantes :
1) Donner au moins 4 facteurs essentiels dans l’obtention d’une image `a la r´esolution atomique avec un STM.
2) Le STM permet-il de voir, aux sens strict du terme, les atomes ?
3) Pourquoi faut-il, `
a priori, utiliser une pointe en platine iridi´e plutˆot qu’en fer ? Qu’apporte le travail sous
ultravide ?
4) Proposer une expression math´ematique reliant l’intensit´e It (t) `a la distance z et `a la tension Vt .
En quoi l’effet tunnel permet-il d’interpr´eter l’existence et l’expression de ce courant ?
Donner alors une expression plus compl`ete de l’expression reliant It (t) `a la distance z, faisant intervenir le travail
d’extraction Φ.
Justifier l’ordre de grandeur de la distance pointe-surface donn´e dans le texte.
5) Expliquer la sensibilit´e `
a la distance de cette m´ethode d’observation des surfaces.
Estimer la r´esolution verticale d’un STM utilis´e sur un bon conducteur en mode `a hauteur constante, en supposant
∆It
que la sensibilit´e sur l’intensit´e
est de 2%. Conclure.
It
6) Qu’est-ce qui limite la r´esolution lat´erale du STM ? est-ce la mˆeme chose en microscopie optique classique ?
7) A votre avis, quels sont les avantages et les inconv´enients du mode `a hauteur constante ? `a courant constant ?
8) Quels sont, selon vous, les principales qualit´es et limitations de ce syst`eme ?
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