Chapitre 2

© Jean-François Morin!Nanosciences et nanotechnologies!CHM-4203!
Chapitre 2
Les outils de caractérisation en nanoscience!

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Il existe plusieurs techniques de caractérisation pour l’étude des nanostructures
organiques, inorganiques et de surface. Les principales sont la microscopie à effet tunnel
(STM), la microscopie de force atomique (AFM), la microscopie électronique à transmission
(TEM) et à balayage (SEM). Les analyses se font principalement sur des surfaces
(exclusivement pour STM et AFM).!
Le choix de la technique de caractérisation utilisée dépend des renseignements recherchés
et des limitations expérimentales. Toutes les techniques possèdent des avantages et des
inconvénients.!
D’autres techniques de caractérisation sont très importantes en nanoscience pour
connaître la composition chimique des surfaces. Toutefois, elles ne permettent pas une
caractérisation tridimensionelle directe des nanostructures. Ex.: XPS, LEED, RHEED,
EXAFS, RAIRS, etc.!
2.1 Microscopie à effet tunnel (STM)!
La microscopie à effet tunnel est sans aucun doute l’instrument qui a donné naissance à la
nanoscience moderne.!
Développé en 1981 par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer dans les laboratoires de IBM
(Zürich).!
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Prix Nobel en 1986, soit seulement 5 ans après l’invention.!
Cette technique permet la visualisation d’atomes individuels et permet de tracer une
topographie de la densité électronique de la surface. C’est la première technique à
permettre une telle résolution. !
2.1.1 Principe de fonctionnement!
En STM, la pointe métallique du microscope est déplacée de façon latérale sur une surface
métallique. Entre la pointe et la surface, une différence de potentiel constante est
maintenue et un courant constant est mesuré. Lorsque la pointe rencontre un atome (ou
molécule), le courant change dû à l’effet tunnel. C’est la variation de ce courant à chaque
endroit de la surface qui permet de tracer une image de la surface. !
L’effet tunnel est un phénomène quantique par lequel les électrons passent à travers un
obstacle physique au lieu de rebondir. Ceci est dû au caractère ondulatoire de l’électron.!
Les endroits de la surface où le courant tunnel est plus élevé se présente sous forme de
taches plus claires. Ce courant est généralement proportionnel à la distance pointe-orbitale.!
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Pointe
Le plus souvent fait de W ou d’un alliage de W. Aussi, Pt-Ir et Au. Les pointes peuvent être
fabriquées très facilement de façon 1) mécanique et par 2) décapage. Cette technique
mène à une pointe monoatomique (Tip Apex).!
La géométrie de la pointe a une très importance sur la qualité des images obtenues.!
Les expériences sont souvent menées sous vide et à basse température, mais il est
également possible de faire des analyses à la pression atmosphérique et à la température
ambiante.!