Le microscope à effet tunnel à balayage (STM) est largement utilisé dans la recherche industrielle et fondamentale pour obtenir des images à l’échelle atomique de surfaces métalliques. Il fournit un profil tridimensionnel de la surface qui est très utile pour caractériser la rugosité de surface, observer les défauts de surface et déterminer la taille et la conformation des molécules et des agrégats sur la surface. Des exemples de recherche avancée utilisant le STM sont fournis par les études actuelles du Groupe de physique des électrons au NIST et dans les laboratoires IBM. Plusieurs autres microscopies à balayage récemment développées utilisent également la technologie de balayage développée pour la STM.
Le nuage d’électrons associé à des atomes métalliques à une surface s’étend sur une très petite distance au-dessus de la surface. Lorsqu’une pointe très pointue – en pratique, une aiguille qui a été traitée de telle sorte qu’un seul atome dépasse de son extrémité – est amenée suffisamment près d’une telle surface, il y a une forte interaction entre le nuage d’électrons à la surface et celui de l’atome de pointe, et un courant tunnel électrique circule lorsqu’une faible tension est appliquée. À une séparation de quelques diamètres atomiques, le courant de tunnel augmente rapidement à mesure que la distance entre la pointe et la surface diminue. Ce changement rapide du courant de tunnel avec la distance donne une résolution atomique si la pointe est balayée sur la surface pour produire une image.
Russell D. Young, du National Bureau of Standards, a été le premier à combiner la détection de ce courant de tunnel avec un dispositif de balayage afin d’obtenir des informations sur la nature des surfaces métalliques. L’instrument qu’il a développé entre 1965 et 1971, le Topografiner, a modifié la séparation entre la pointe et la surface (z) de sorte que, à tension constante, le courant de tunnel (ou, à courant constant, la tension de tunnel) est resté constant lorsque la pointe a été balayée sur la surface. Les coordonnées x, y et z de la pointe ont été enregistrées. (Pour plus de détails sur la conception et le fonctionnement du Topografiner, voir les références données dans la bibliographie.) Le même principe a ensuite été utilisé dans le microscope à effet tunnel à balayage. L’obstacle restant au développement de cet instrument était la nécessité d’une isolation vibratoire plus adéquate, afin de permettre un positionnement stable de la pointe au-dessus de la surface. Ce problème difficile dans la conception mécanique a été surmonté grâce aux travaux de Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, Laboratoire de recherche IBM, Zurich, Suisse, qui, en 1986, ont reçu le prix Nobel de physique pour leur découverte de la résolution atomique en microscopie à effet tunnel à balayage. Lors de l’annonce du prix, l’Académie royale des sciences de Suède a reconnu les études pionnières de Russell Young.
Bibliographie
R. D. Young, Rév. Sci. Instrum. 37, 275 (1966). R. D. Young, Physique Aujourd’hui 24, 42 (Nov. 1971). R. Young, J. Ward et F. Scire, Phys. Rév. Lett. 27, 922 (1971). R. Young, J. Ward et F. Scire, Rév. Sci. Instrum. 43, 999 (1972).