Microscopie à sonde locale

Abstract

Lapparition en 1982 du microscope a effet tunnel a constitue une revolution dans le domaine des microscopies en introduisant le concept de micro-scopie de champ proche qui est a la base des microscopes a sonde locale. Differentes dans leur principe des microscopies traditionnelles, les microscopies a sonde locale (ou de champ proche) se developpent en effet a partir des avancees scientifiques et techniques de la microscopie par effet tunnel. Utilisant toutes le balayage d’une pointe sonde a proximite d’un echantillon, elles fournissent des images qui sont des cartographies a tres haute resolution de proprietes specifiques de la surface de l’echantillon selon le type de sonde utilise. Diverses proprietes (structurales, electroniques, chimiques, optiques...) et leurs variations locales a l’echelle nanometrique ou subnanometrique peuvent etre ainsi imagees et etudiees. Grâce a leur grand pouvoir de resolution, les microscopies a sonde locale prennent le relais des microscopies classiques pour etudier la matiere jusqu’a l’echelle atomique. A l’heure actuelle, apres quelques annees de developpement, de nombreux laboratoires de recherche et de l’industrie utilisent ces instruments d’observation et d’analyse. Ils permettent d’etudier les proprietes locales de surfaces (ou d’interfaces) dans des conditions tres variees selon les applications : ultravide pour la physico-chimie des surfaces, milieu liquide pour la biologie et l’electrochimie, atmosphere controlee pour toutes sortes de materiaux et pour la metrologie en ligne de certaines applications du domaine recherche et deve-loppement. Le tableau A montre comment par la mesure locale et le controle de grandeurs ou quantites physiques (un courant, une force, une capacite, une intensite de rayonnement...), on peut acceder a des proprietes locales caracteristiques d’un echantillon. Certains microscopes (cf. tableau A ) permettent aussi de modifier de facon controlee la surface de l’echantillon en particulier en manipulant les atomes de surface ou en creant une reaction chimique locale sous la pointe. Ceci permet la fabrication de structures de taille nanometrique, ou la gravure de motifs. On a donc a la fois des instruments de caracterisation des surfaces de materiaux et des outils de gravure a l’echelle nanometrique . Il existe une abondante litterature et de nombreux ouvrages de revue sur les microscopies a sonde locale. Dans cet article, nous degagerons seulement les principales caracteristiques des nouveaux instruments et illustrerons les nombreux champs d’application dans differents domaines de la physique, de la biologie, de la metrologie et des nanotechnologies. Apres la description du principe general d’un microscope a sonde locale et de son fonctionnement, nous nous attacherons a etudier de facon plus detaillee les premiers microscopes (STM et AFM ou leurs derives). Pour chaque instrument nous montrerons les impacts en recherche fondamentale (physique, chimie et biologie), metrologie et technologie. Nous traiterons ainsi de la microscopie par effet tunnel et de ses applications. Un paragraphe sera consacre au microscope a force atomique et a la microscopie de force et un autre abordera la microscopie de champ proche optique et ses applications. Les problemes generaux de l’instrumentation seront traites a la fin de l’article.