Microscopies de Proximit

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Microscopies de Proximité
Schéma de principe du microscope à effet tunnel
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I- Le microscope à effet tunnel II- Les
techniques dérivées - Force atomique (AFM) -
Tunnel optique (NSOM Near field
scanning optical microscopy) -
Electrons balistiques (BEEM
Balistic Electron Emission Microscopy) -
Force Magnétique (MFM) Et des exemples
dapplications ultimes aujourdhui Analyse
Photonique, Manipulation datomes Commutateur
atomique
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PRINCIPE DE LEFFET TUNNEL
En mécanique classique, un électron rencontrant
une barrière de potentiel, ne peut la traverser
sil possède une énergie E lt à celle de la
barrière. Dans une approche quantique, la
fonction donde y associée à lélectron nest pas
nulle à lintérieur et au-delà de la  barrière de
potentiel. Les électrons ont la possibilité de
franchir la barrière de potentiel lorsque la
largeur de celle-ci nest pas trop grande  cest
ce quon appelle leffet tunnel.  
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Dans le modèle unidimensionnel où un électron
incident, auquel est associée une onde YG,
rencontre une barrière de potentiel U(z) de
largeur d. Les solutions de léquation de
Schrödinger pour chaque région correspondent à
deux ondes progressives YG et YD à gauche et à
droite de la barrière, et à une onde évanescente
à lintérieur de la barrière         
Barrière de potentiel dans un modèle
unidimensionnel
A laide des conditions de continuité, on établit
lexpression du coefficient de transmission T(E)
dun électron de la partie gauche de la barrière
vers la droite
T(E) peut sécrire
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• Si on considère deux électrodes polarisées, de
  travaux de sortie FG et FD, séparées par un
  isolant (par exemple le vide).
• Les niveaux de Fermi EFG et EFD des deux
  électrodes se décalent en fonction de la ddp
  électrique appliquée V et un courant tunnel
  sétablit à travers la barrière de potentiel.
• Lorsquon applique une faible tension entre les
  deux électrodes , la barrière de potentiel peut
  être modélisée par une forme trapézoïdale  

Courant tunnel It
Valable pour des électrons libres et pour une
faible tension V appliquée
Le courant tunnel est directement proportionnel à
la différence de potentiel V et dépend
exponentiellement de la distance entre les deux
électrodes.
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Contribution au courant tunnel en fonction de la
polarité et de la tension.
Suivant la différence de potentiel V entre
léchantillon et la pointe, les images STM
peuvent être considérablement modifiées. En
effet, les images représentent une cartographie
des courbes disodensités détats au niveau de
Fermi En polarité positive, les électrons tunnel
traversent la barrière de potentiel de la pointe
vers les états vides de la densité détats n(E)
de léchantillon. Ainsi, une variation de tension
permet de sonder les états vides de la
surface.   En polarité négative, les électrons
contribuant au courant tunnel proviennent du
niveau de Fermi de la surface de léchantillon.
Dans ce cas, limage devient peu sensible à la
densité détats pleins de la surface.
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Schéma de principe d'un microscope tunnel.
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Image de pointe STM obtenue par microscopie à
balayage électronique.
Photographie du microscope
STM. Léchantillon est placé sur un tube
piézo-électrique autorisant des déplacements dans
les trois directions, avec des résoluticons
latérales de 1/10ième dÅ et une résolution
verticale (en Z) de 1/100ième dÅ permettant
dobtenir la résolution atomique.  Ce microscope
est suspendu à quatre ressorts. En position
abaissée, un système d'amortissement par courants
de Foucault isole le microscope des perturbations
vibratoires extérieures.
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Quelques grandeurs relatives à la microscopie STM
Barrière de potentiel
U lt10 V Largeur
d lt 10 Å Pour un électron dénergie
E 2 eV la longueur de décroissance l
à lintérieur de la barrière de potentiel U,
définie par l É/Ö(2m(U-E)), vaut environ
0,14 nm Coefficient de transmission de lordre
de 10-6 Lorsquon augmente de 0,2 nm la largeur
de la barrière, T(E) décroît denviron un facteur
10, conséquence de la décroissance exponentielle
du coefficient de transmission. Courant tunnel
1 nA lt It lt 10 nA
pA Précision de la sonde ?x ? y
0,1 Å, ? z 0,01 Å Utilise les pptés des
céramiques piézoélectriques 1 V -----gt 10
Å Temps dacquisition dune image 120 s
lt1 s Aire explorée 3x3 Å2
lt S lt 500x500 mm
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Surface de cuivre observée au microscope à effet
tunnel
.
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  This is a three dimensional picture of a
graphite surface with no defects.
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(No Transcript)
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This image is of a graphite dislocation line. 
One can discern the individual carbon atoms in
this picture (the round patches in the picture)
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UHV STM of GaAs(001) Surface
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Low Temperature STM Co atom on Ag(111)
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Standing-wave patterns in the local density of
states of the Cu(111) surface. These spatial
oscillations are quantum-mechanical interference
patterns caused by scattering of the
two-dimensional electron gas off the Fe adatoms
and point defects.
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 Le microscope à force atomique schéma de
principe  
 Le microscope à force atomique concerne tous les
types de matériaux, qu'ils soient isolants,
conducteurs ou semiconducteurs. En effet, dans
cette technique, la pointe-sonde est placée à
l'extrémité libre d'une poutre élastique et le
paramètre-clé est de nature mécanique. Plusieurs
types de forces sont impliqués dans l'interaction
pointe/surface, dont la plus connue est bien sûr
la force de van der Waals. On peut distinguer 3
modes de travail - le mode "contact", pour
lequel l'interaction vdW est fortement répulsive,
- le mode "non-contact", où elle est faiblement
attractive, - et enfin un mode plus complexe de
"contact intermittent", intermédiaire des deux
précédents.

• La pointe est placée au contact de l'échantillon
  avec une force choisie, évaluée par la mesure
  optique de la déflexion de la poutre élastique.
• Une zone carrée de la surface est balayée ligne
  par ligne, en maintenant la déflexion du levier à
  la valeur de consigne au moyen d'une boucle
  d'asservissement.
• On obtient au final une cartographie de la zone
  explorée.
• La résolution dépend du rayon de courbure de la
  pointe utilisée (valeurs typiques 10-50nm) et de
  la taille du carré balayé

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AFM, Mode contact Images topographiques de
surface en mode hauteur et mode force
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Exemple d'illustration
traces d'usure sur étain lubrifié  L'utilisation
de l'AFM comme "super-profilomètre 3D" permet de
caractériser la morphologie initiale des
revêtements et leur dégradation à l'issue de
différents tests. À partir d'une image
topographique, on peut en effet obtenir de
nombreuses informations quantitatives
paramètres de rugosité, profils, distribution des
hauteurs, courbe de portance Nous montrons ici
à titre d'exemple) des images de traces d'usure
(200µmx200µm) obtenues après le même test
tribologique sur de l'étain protégé par
différents lubrifiants liquides.
Images AFM de traces d'usure obtenues dans les
mêmes conditions (tribomètre du LGEP, 250gf, 1
cycle) sur de l'étain recouvert de différents
lubrifiants liquides.
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Atomic Force Microscope (AFM) scan of a carbon
nanotube
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Microscopie en champ proche optique (NSOM)
Principe Recueillir au moyen dune optique
londe évanescente à la surface de léchantillon
Exemple adressage dune boîte quantique
La microscopie optique en champ proche - NSOM - 
rend possible ladressage de nano-objets
optiquement actifs (boîte quantique, molécule,
nanocristal semi-conducteur ) sur une base
individuelle. Ici adressage dune boîte
quantique semi-conductrice par NSOM
Une fine couche métallique opaque aménagée de
trous  sub-longueur donde est déposée sur un
échantillon de boîtes quantiques
semi-conductrices. Une pointe optique
préalablement couplée à une source laser est
approchée puis asservie à  la surface de
léchantillon ( 10 nm) en un endroit précis sur
la couche métallique. Les ondes évanescentes
générées par la pointe permettent dexciter des
plasmons de surface qui se propagent dans la
direction de polarisation de la lumière (champ
électrique E sur la figure). Lajustement de la
direction de polarisation  permet dorienter les
plasmons de surface vers un trou. Le transfert
dénergie des plasmons de surface par diffusion
permet dexciter les boîtes quantiques présentes
sous le trou avec la lumière ainsi récupérée.
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Pointes Optiques
Levier NSOM en fibre optique avec faisceau de
lumière sortant par la pointe
Image SEM dune pointe de fibre sur levier
(cantilever) de 100nm de diamètre douverture
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Near Field Infrared image of sperm cell
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Image AFM 1µm x 1µm
Image NSOM 1µm x 1µm
Billes dOr de 30nm de diamètre
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• Microscopie par Emission d'Electrons Balistiques
• (B.E.E.M. Ballistic Electron Emission
  Microscopy)
• La pointe du microscope à effet tunnel peut
  également servir à injecter des électrons de
  faible énergie dans de fines couches métalliques.
  Ces couches métalliques sont préalablement
  déposées sur des susbtrats semiconducteurs,
  l'ensemble constituant ainsi une jonction
  Schottky.
• Utilisé pour sonder les interface enfouies
• Deux modes de fonctionnement sont possibles

Les électrons peuvent traverser cette structure
et être collectés dans le SC (si l'épaisseur du
film métallique est comparable au libre parcours
moyen des électrons émis et si leur énergie est
à la hauteur de barrière Schottky à l'interface)

• en mode "imagerie", la tension de polarisation
  de la jonction tunnel est maintenue constante et
  supérieure à la hauteur de barrière à
  l'interface. Les électrons injectés sont alors
  collectés dans le SC et l'intensité du courant
  balistique est mesurée pour chaque point de la
  surface balayée par la pointe S.T.M.

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MFM ( Microscopie à force magnétique) Imagerie
magnétique Dans le cas où la pointe du AFM est
constituée d'un matériau magnétique on obtient
une cartographie magnétique de la surface de
l'échantillon. La MFM est une technique qui
permet de visualiser des parois et des domaines
magnétiques avec une résolution inférieure à 20
nm. Elle est sans équivalent pour l'étude de
phénomènes coopératifs tels que ceux qui
interviendront dans les milieux de stockage de
l'information de demain.
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Nanomanipulation par AFM Les microscopies
de proximité représentent des outils
indispensables pour manipuler, observer et
caractériser ces nano-objets. En
particulier, le microscope à force atomique AFM
est une technique versatile qui offre la
possibilité d'étudier des nano-structures tant à
caractère métallique que semi-conducteur ou
isolant.
Manual mechanical lithography
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Nanomanipulation Une particule dor de 30 nm a)
avant et b) après avoir été déplacé de 10 nm dans
la direction indiqué par la flèche. Image (1 mm X
0.5 mm)
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Automated AFM nanografting