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La finesse pour imager en haute résolution

En matière de microscopie électronique à effet tunnel (MET), la finesse de la pointe de la sonde est critique pour la résolution des mesures ainsi que pour la fiabilité de l'interprétation des données. Des scientifiques financés par l'UE ont présenté d'autres méthodes pour atteindre la meilleure résolution possible.
La finesse pour imager en haute résolution
Peu après l'invention de cette technique de microscopie, on a constaté que seules les pointes très fines pouvaient fournir des images stables et fiables de surfaces métalliques, à l'échelle des atomes. La résolution maximale s'obtient avec des pointes qui collectent la plupart du courant tunnel via les orbitales des électrons d'un seul atome, placé au bout de la pointe.

Les pointes de MET sont en général préparées par attaque électrochimique de fils de tungstène polycristallin, peu coûteux. L'usage de pointes faites de métaux légers permet d'atteindre une résolution de l'ordre du picomètre. Cependant, la plupart des méthodes ne produisent pas régulièrement des pointes avec une structure atomique et électronique bien définie.

La fabrication contrôlée de pointes convenant à la MET était l'un des principaux objectifs de scientifiques financés par l'UE. Le projet ORBITAL IMAGING (Electron orbital resolution in scanning tunneling microscopy) voulait ainsi améliorer l'imagerie de surfaces métalliques présentant des structures complexes.

L'équipe d'ORBITAL IMAGING a préparé des sondes de tungstène orientées selon la face [001], et aiguisées dans un vide très poussé, par chauffage sous faisceau d'électrons et pulvérisation d'ions. Les vérifications par microscopie électronique en transmission et à balayage ont confirmé une fabrication fiable de pointes se terminant par un seul atome, au bout d'une pyramide nanométrique.

Ensuite, les chercheurs ont démontré les avantages de ces pointes monocristallines de tungstène pour l'imagerie MET de graphite pyrolytique, de carbure de silicium et de surfaces de graphène. Point important: ils ont trouvé un rapport direct entre la structure de la pointe et la résolution picométrique atteinte lors de leurs expériences.

Ensuite, les chercheurs ont démontré les avantages de ces pointes monocristallines de tungstène pour l'imagerie MET de graphite pyrolytique, de carbure de silicium et de surfaces de graphène. Avec un traitement thermique précis, les surfaces sélectionnées ont été reconstituées de manière exacte au niveau atomique, montrant des ensembles de terrasses de silicium et de marches triples, de hauteur égale.

Cette reconstitution de surface inhabituelle a fait l'objet de recherches intensives durant le projet ORBITAL IMAGING. Les chercheur sont partis des données de MET en haute résolution, obtenues avec des pointes de tungstène de grande stabilité, et constaté que la périodicité des surfaces de silicium gravées de sillons pouvait être maintenue. Ils ont donc proposé un modèle pour leur structure atomique.

Les travaux du projet ORBITAL IMAGING ont démontré que les expériences de MET à sondes au tungstène ont atteint une résolution picométrique, comparable à la meilleure résolution obtenue à ce jour par les microscopes à sonde locale. En outre, les études expérimentales ont confirmé que les feuilles de graphène développées sur des galettes de carbure de silicium convenaient pour fabriquer des dispositifs nanoélectroniques.

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Mots-clés

Microscopie électronique à effet tunnel, orbitales des électrons, tungstène, ORBITAL IMAGING, surfaces métalliques, carbure de silicium, nanoélectronique