Sondes nanométriques
121
la surface de façon à maintenir le courant constant. Comme le courant varie exponentiellement avec cette distance, celle-ci demeure presque constante. Une image
STM consiste alors à tracer z ( x , y ), c’est-à-dire la hauteur z en fonction des positions
x , y de la surface. L’avantage de ce mode ne nécessite pas une surface très plate.
Une façon pratique est de tracer z en fonction de x puis d’incrémenter y . L’image est
alors une succession de traces de balayage dans la direction x déplacées les unes par
rapport aux autres latéralement selon y. On obtient alors une pseudo-représentation
tridimensionnelle de la surface en portant ( y + z ) en fonction de x . Les dimensions
et la géométrie de la pointe déterminent la résolution de l’image. En particulier, au
bord (*) ou entre deux rangées d’atomes ( ◊ ), l’interprétation de l’image devient critique. De plus, selon la structure de l’échantillon, la deuxième rangée d’atomes peut
influencer le résultat.
Dans le mode à hauteur constante (fig. 7.4(b)), la pointe balaie la surface à une
distance constante, et on mesure la variation du courant. Dans ce cas, on mesure un
signal sans asservissement z . Une telle mesure a comme avantage que le balayage
peut être effectuée avec une fréquence plus élevée. De façon analogue, on obtient
une pseudo-image tridimensionnelle de la surface par une succession de tracés
( I + y ) en fonction de x .
Le STM fonctionne en mode courant constant ou hauteur constante. Notons
que le mode à hauteur constante peut également s’effectuer avec la variante de
maintenir le courant tunnel I constant en réglant les modulations du signal en mode
«non-contact». Le mode topographique ( I constant) convient au balayage de toutes
les surfaces, notamment celles qui ne sont pas atomiquement planes. D’un autre
côté, le mode à hauteur constante permet un balayage beaucoup plus rapide des surfaces. Un balayage rapide est naturellement très intéressant en raison des temps
d’acquisition des images, des dérives thermiques, des modifications intempestives
des surfaces et lorsque l’on veut effectuer des études en dynamique.
7.5 THÉORIE DU STM
Le principe à la base du STM est l’effet tunnel qui est un phénomène purement quantique: un électron peut franchir une barrière de potentiel même s’il n’a
pas l’énergie cinétique suffisante pour le faire d’après la mécanique classique.
L’effet tunnel est caractéristique de la nature ondulatoire des électrons. Lorsqu’un
électron (ou une fonction d’onde atomique) rencontre une barrière dont l’énergie
potentielle est supérieure à son énergie cinétique, il y a une probabilité non nulle
pour que l’électron réapparaisse de l’autre côté de la barrière comme indique la
figure 7.5.
La probabilité de passage tunnel (ou coefficient de transmission de la barrière)
et le courant tunnel sont dominés par le terme exponentiel de (7.1):
(7.1)
I
cste ρ p r 0 E F
,
(
) ρ éch r 0 E F
,
(
)
A U E cin
–
(
) 1 2
/ z
–
[
]
exp
⋅
⋅
⋅
=
121
la surface de façon à maintenir le courant constant. Comme le courant varie exponentiellement avec cette distance, celle-ci demeure presque constante. Une image
STM consiste alors à tracer z ( x , y ), c’est-à-dire la hauteur z en fonction des positions
x , y de la surface. L’avantage de ce mode ne nécessite pas une surface très plate.
Une façon pratique est de tracer z en fonction de x puis d’incrémenter y . L’image est
alors une succession de traces de balayage dans la direction x déplacées les unes par
rapport aux autres latéralement selon y. On obtient alors une pseudo-représentation
tridimensionnelle de la surface en portant ( y + z ) en fonction de x . Les dimensions
et la géométrie de la pointe déterminent la résolution de l’image. En particulier, au
bord (*) ou entre deux rangées d’atomes ( ◊ ), l’interprétation de l’image devient critique. De plus, selon la structure de l’échantillon, la deuxième rangée d’atomes peut
influencer le résultat.
Dans le mode à hauteur constante (fig. 7.4(b)), la pointe balaie la surface à une
distance constante, et on mesure la variation du courant. Dans ce cas, on mesure un
signal sans asservissement z . Une telle mesure a comme avantage que le balayage
peut être effectuée avec une fréquence plus élevée. De façon analogue, on obtient
une pseudo-image tridimensionnelle de la surface par une succession de tracés
( I + y ) en fonction de x .
Le STM fonctionne en mode courant constant ou hauteur constante. Notons
que le mode à hauteur constante peut également s’effectuer avec la variante de
maintenir le courant tunnel I constant en réglant les modulations du signal en mode
«non-contact». Le mode topographique ( I constant) convient au balayage de toutes
les surfaces, notamment celles qui ne sont pas atomiquement planes. D’un autre
côté, le mode à hauteur constante permet un balayage beaucoup plus rapide des surfaces. Un balayage rapide est naturellement très intéressant en raison des temps
d’acquisition des images, des dérives thermiques, des modifications intempestives
des surfaces et lorsque l’on veut effectuer des études en dynamique.
7.5 THÉORIE DU STM
Le principe à la base du STM est l’effet tunnel qui est un phénomène purement quantique: un électron peut franchir une barrière de potentiel même s’il n’a
pas l’énergie cinétique suffisante pour le faire d’après la mécanique classique.
L’effet tunnel est caractéristique de la nature ondulatoire des électrons. Lorsqu’un
électron (ou une fonction d’onde atomique) rencontre une barrière dont l’énergie
potentielle est supérieure à son énergie cinétique, il y a une probabilité non nulle
pour que l’électron réapparaisse de l’autre côté de la barrière comme indique la
figure 7.5.
La probabilité de passage tunnel (ou coefficient de transmission de la barrière)
et le courant tunnel sont dominés par le terme exponentiel de (7.1):
(7.1)
I
cste ρ p r 0 E F
,
(
) ρ éch r 0 E F
,
(
)
A U E cin
–
(
) 1 2
/ z
–
[
]
exp
⋅
⋅
⋅
=