Les Directs : Voir les atomes et les molécules !

Direct animé par Philippe Leclere, maître de Recherche du FRS-FNRS.

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Observer une surface, avec un microscope dont le grossissement serait tel qu’on pourrait “voir” les atomes un par un, c’est un vieux rêve qui date de l’Antiquité. Il y a 2400 ans, le philosophe grec Démocrite supposait que la matière était composée de particules infimes auxquelles il a donné le nom d’atomes (signifiant indivisible). Ces minuscules éléments de construction étaient éternels et immuables. Depuis cette époque, il a fallu attendre le début des années 1980 pour pouvoir confirmer expérimentalement les visions de ce grand philosophe.

En effet, grâce au microscope à “effet tunnel”, ce rêve est désormais une réalité. On sait désormais produire des cartes en relief de la surface d’échantillons métalliques ou semi-conducteurs avec une résolution spectaculaire. Cela signifie qu’on peut obtenir la topographie d’une surface avec une précison suffisante, non seulement pour distinguer aisément chaque atome de son voisin, mais aussi pour connaître sa position en hauteur à une fraction de son diamètre près et même pour identifier sa nature, dans certains cas, par “spectroscopie locale”.

Du point de vue de la méthode utilisée, le microscope à effet tunnel est certainement un nouvel enfant de la mécanique quantique. Pour simplifier, disons que l’effet tunnel d’électrons dans le vide fut prévu à la fin des années 1920 et qu’il s’agit d’une propriété interdite en physique classique. La nature ondulatoire des électrons entre en jeu et le mot “tunnel” renvoie à la capacité éventuelle qu’ont ces électrons de “traverser” les obstacles.

Du point de vue de la réalisation pratique, le premier prototype de microscope à effet tunnel est né au début des années ’80 de l’ingéniosité de deux chercheurs des laboratoires IBM de Zurich. Dès les premières images publiées, de nombreux laboratoires dans le monde ont manifesté avec enthousiasme leur intérêt pour cette nouvelle technique d’analyse des surfaces. Il faut dire que le champ d’application de ces techniques de microscopies s’annonce vaste, puisqu’on peut les utiliser dans le vide, dans l’air, en milieu liquide, à basse température, … Ces techniques permettent de caractériser avec une précision inégalée les matériaux de base de la microélectronique moderne mais aussi est capable d’apporter des informations utiles en science des matériaux ou en biologie puisque par exemple des images d’ADN ou de virus ont été obtenues.

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