Le microscope à effet tunnel

Le microscope à effet tunnel
Principe
Une mince barrière isolante sépare une pointe
conductrice d’une surface métallique.
Un courant électrique s’établit par effet tunnel
des électrons au travers de la barrière isolante.
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SPM : microscopie à sonde locale
Principe basé sur des interactions à courte portée X(d)
VT
STM
Microscope à effet tunnel
IT
d
X(d)
Effet tunnel d’électrons
ECHANTILLON
POINTE
X(d) : forces
AFM
Microscope à force atomique
d
ECHANTILLON
LEVIER
SNOM
Microscope à champ proche
optique
Van der Waals,
Electrostatique, Magnétique,
Friction, Adhésion…
X(d)
ECHANTILLON
d
FIBRE OPTIQUE
Effet tunnel optique
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L’instrument : STM (Scanning Tunneling Microscope)
inventé par
Binnig, Rohrer Gerber, Weibel
en 1982 à IBM Zurich.
pour cette invention → prix
Nobel de Physique en 1986
Capacités du microscope à effet tunnel
Visualisation d’une surface conductrice avec la résolution
atomique dans l’espace réel.
Fabrication de nanostructures par manipulation atomique.
Caractérisation des propriétés électroniques des surfaces et
des nanostructures.
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L’effet tunnel électronique
Jonction métal-vide-métal
Barrière 1D de hauteur φ
Vt=0
états
vides
états
pleins
Vt>0
φ
EF+eVt
EF
e–
EF–eVt
d
A
It
Dépendance exponentielle du courant
avec l’épaisseur de la barrière tunnel
(
I t ≈ Vt exp − φ d
)
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Théorie du STM
Pointe
2H-NbSe2
Modèle de Tersoff et Hamman (1985)
Rayon de
courbure
de la
pointe
cste
densité d’états de la pointe
Densité Locale D’États
de la surface (LDOS)
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Obtention d’une image
mode courant constant
boucle de régulation
asservissement
I/V
Itunnel
Iconsigne
actionneurs
piézoélectriques
pointe
échantillon
y
Vtunnel
z
x
z
Contrôle du balayage,
traitement
y
x
Itunnel
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image MEB : pointe du STM en cours de balayage
(scan : 6µm x 6µm)
mode courant constant
particules de Pb sur surface Ru(001)
A. Emundts, P. Coenen, G. Pirug, B. Voigtländer, H. P. Bonzel
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Image enregistrée par le STM
plot de Pb à grande échelle
détails de la facette supérieure
marches atomiques
3,5µm x 3,5µm
780nm x 530nm
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Images en résolution atomique
Si (111) reconstruite 7x7
Au(111) reconstruite 22x√
√3
5 nm
états vides
+2V ; 0,6nA
états pleins
–2V ; 0,6nA
30 nm
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Les atomes en mouvement
Atomes de Cobalt sur Ag(111)
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Manipulation atomique
pointe
atome
surface
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Première démonstration de la Manipulation Atome par Atome
Xe/Ni(111)
D.M. Eigler, E.K. Schweizer
Nature 344 (1990) 524
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Manipulation d’atomes et de molécules
Idéogramme atome
STM
Bonhomme CO
KMC
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Elaboration atome par atome d’un corral quantique
Ondes
électroniques
stationnaires
48 atomes de fer sur la surface de cuivre (111)
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Spectroscopie par microscopie tunnel
- Visualisation des fonctions d’ondes électroniques dans une molécule (boîte
quantique) Par cartographie de conductance (dI/dV)
- Influence sur les états électroniques d’un nanofil métallique connecté à la
molécule par manipulation
Phtalocyanine
de cuivre
Images
de la LDOS
Chaîne
d’atomes
d’or
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Chimie atome par atome
Fabrication
de FeCO et
Fe(CO)2
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