Qu’est-ce qu’un microscope à balayage ?
Un microscope à balayage (SPM) est un microscope qui utilise une sonde aiguisée pour observer les irrégularités de la surface d’un échantillon à l’échelle du nanomètre.
Il est souvent utilisé dans un vide poussé pour nettoyer la surface de l’échantillon, mais il peut également être utilisé dans l’air. Plus récemment, certains microscopes ont été développés pour être utilisés dans des liquides.
Il existe différents types de microscopes à balayage, notamment la microscopie à effet tunnel (STM) et la microscopie à force atomique (AFM). La STM est capable de capturer des atomes individuels et son inventeur lui a décerné le prix Nobel de physique en 1986 pour sa contribution significative à l’avancement de la science et de la technologie des nanostructures.
Utilisations des microscopes à balayage
Les microscopes à balayage sont utilisés pour observer les conditions de surface et mesurer la rugosité des semi-conducteurs, du verre, des cristaux liquides et d’autres matériaux, car ils peuvent observer des surfaces très fines jusqu’au niveau du nanomètre.
Les cibles d’observation spécifiques comprennent l’arrangement atomique des monocristaux de silicium et les groupes phényles dans les composés organiques. Ils peuvent également être utilisés pour observer et manipuler l’ADN d’échantillons biologiques tels que les micro-organismes, les bactéries et les membranes biologiques.
Les microscopes à balayage sont un nouveau type de microscope, développé dans les années 1980, mais leurs applications se développent rapidement, avec des développements remarquables dans les techniques d’observation au niveau atomique, et des modèles permettant de mesurer la friction, la viscoélasticité et le potentiel de surface ont également été mis au point. Les mesures dans les liquides sont également utilisées dans des domaines tels que l’électrochimie et la biochimie, ce qui permet de mesurer des conditions plus proches des conditions réelles.
Principe des microscopes à balayage
Cette section décrit les principes de l’AFM et du STM, deux des microscopes à sonde à balayage les plus couramment utilisés. Les images et les informations de position sont acquises en balayant la surface de l’échantillon avec la pointe d’une fine sonde en forme d’aiguille. La sonde est fine et balaie au niveau atomique, ce qui la rend inadaptée à la mesure d’échantillons présentant trop d’irrégularités.
1. Microscopie à effet tunnel (STM)
La STM utilise le fait que l’intensité du courant de tunnel émis par la pointe d’une sonde métallique vers l’échantillon dépend de manière sensible de l’épaisseur de l’isolant intermédiaire, le vide. Il peut mesurer avec précision la hauteur locale de la surface de l’échantillon avec une haute résolution (la distance la plus courte entre deux points voisins pour les distinguer) qui permet de résoudre séparément les atomes à la surface du matériau. Le mouvement de balayage de la sonde sur la surface de l’échantillon permet d’observer des motifs atomiquement irréguliers.
La sonde est faite de tungstène ou de platine et possède une pointe. Lorsque la sonde et l’échantillon sont suffisamment proches pour que leurs nuages d’électrons se chevauchent et qu’une petite tension de polarisation (tension utilisée pour définir le point de fonctionnement en courant continu pour l’amplification des petits signaux d’un amplificateur) est appliquée, un courant de tunnel circule en raison de l’effet de tunnel.
Dans le STM, le courant de tunnel est maintenu constant en déplaçant une sonde métallique horizontalement (X, Y) sur la surface de l’échantillon et en contrôlant par rétroaction la distance entre la sonde et l’échantillon (Z). Le mouvement vertical est généralement effectué à l’aide d’éléments piézoélectriques, qui peuvent contrôler la distance avec une précision inférieure à la taille d’un seul atome, afin de détecter les interactions entre les atomes individuels. Les STM ont donc une résolution atomique en trois dimensions. Les éléments piézoélectriques sont des dispositifs passifs qui utilisent l’effet piézoélectrique, un phénomène par lequel une tension est générée lorsqu’une pression est appliquée.
2. Microscopie à force atomique (AFM)
L’AFM mesure et scanne les différences entre les forces interatomiques microscopiques (faibles forces de cohésion entre les atomes qui ne sont pas chimiquement liés) entre la sonde et la surface de l’échantillon afin d’observer la surface. Un large éventail d’applications a été développé à l’aide de la technologie AFM pour mesurer les forces de frottement, la viscoélasticité, la constante diélectrique et le potentiel de surface.
Une sonde fixée à l’extrémité d’un cantilever (cantilever) est mise en contact avec la surface de l’échantillon sous l’effet d’une petite force. La distance (Z) entre la sonde et l’échantillon est contrôlée par rétroaction afin de garantir que la force (déflexion) agissant sur le cantilever est constante, tout en effectuant un balayage horizontal (X, Y) pour produire une image de la topographie de la surface.
Informations complémentaires sur les microscopes à sonde à balayage
Types de sondes
L’AFM et le SPM, qui sont des exemples typiques de microscopes à sonde à balayage, utilisent tous deux des sondes, mais de types différents. En outre, il existe de nombreux types d’AFM seuls, en termes de matériau, de longueur, etc., et il est important de choisir celui qui convient à l’objet à mesurer.
Outre le mode contact décrit dans le principe, les AFM disposent également d’un mode taraudage, qui est utilisé pour mesurer des échantillons organiques fragiles et qui fait appel à une sonde dédiée. Les sondes sont des consommables et doivent être remplacées par l’utilisateur.