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Une nouvelle ère en microscopie : comment le miracle scientifique de l’imagerie à l’échelle atomique est-il réalisé ?
Depuis l’avènement du microscope à effet tunnel (STM) en 1981, la microscopie à sonde à balayage (SPM) est devenue une technologie de pointe pour l’étude des structures de surface. Cette technique a été démontrée pour la première fois par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui ont utilisé une boucle de rétroaction pour contrôler précisément la distance entre la sonde et l'échantillon, permettant ainsi une imagerie à l'échelle atomique. Avec l'évolution de la technologie, le SPM d'aujourd'hui peut non seulement obtenir des images haute résolution des structures de surface, mais également imager simultanément plusieurs interactions physiques, offrant aux scientifiques une nouvelle perspective pour explorer le monde microscopique.
La clé de la microscopie à sonde à balayage est l’utilisation d’actionneurs piézoélectriques pour contrôler le mouvement précis au niveau atomique.
La diversité de la microscopie à sonde à balayage réside dans les nombreuses technologies qu'elle a dérivées, notamment la microscopie à force atomique (AFM), la microscopie à force chimique (CFM), la microscopie à force électrostatique (EFM), la microscopie à effet tunnel (STM), etc. Chaque technologie a ses avantages et ses domaines d’application uniques. Par exemple, l'AFM utilise les minuscules mouvements d'une sonde pour mesurer les forces exercées sur la surface d'un échantillon, créant ainsi une image haute résolution de la topographie de la surface.
Différents modes de numérisation tels que le mode d'interaction constante et le mode de hauteur constante permettent aux scientifiques d'obtenir des informations détaillées sur l'échantillon de différentes manières.
En mode d'interaction constante, la sonde maintient une interaction constante avec la surface de l'échantillon et les données mesurées sont converties en une carte thermique montrant la topographie de la surface de l'échantillon. En mode hauteur constante, la surface de l'échantillon est scannée sans déplacer la sonde. Bien que le mode de hauteur constante puisse éliminer les artefacts causés par la rétroaction, son fonctionnement est relativement difficile et nécessite un contrôle extrêmement élevé de la sonde.
Afin d’obtenir une résolution au niveau atomique, la conception et le matériau de la sonde sont également cruciaux. En règle générale, la pointe de la sonde doit être très pointue pour que les sondes à pointe atomique unique fournissent les meilleurs résultats d'imagerie. Cela implique non seulement la technologie de fabrication de la sonde, mais également une compréhension approfondie du choix des matériaux.
La résolution actuelle de la microscopie à sonde à balayage est limitée par le volume d’interaction sonde-échantillon plutôt que par la limite de diffraction.
L’avantage de la microscopie à sonde à balayage est qu’elle ne nécessite pas d’environnement sous vide pour fonctionner, ce qui permet de réaliser des observations dans l’air ou dans des liquides conventionnels. Mais en même temps, cette technologie est également confrontée à certains défis, tels que la lenteur de l’acquisition des images et l’impact de la forme spécifique de la sonde sur les données lorsque l’échantillon présente de grands changements de hauteur.
Une technique connexe est la microscopie à photocourant à balayage (SPCM), qui utilise un faisceau laser focalisé plutôt qu'une sonde pour permettre des tests de matériaux résolus spatialement. Cette technique est particulièrement importante dans l’industrie de l’optoélectronique car elle permet d’analyser la façon dont les propriétés optiques d’un matériau varient en fonction de la position.
SPCM excite les matériaux semi-conducteurs via des lasers pour générer un photocourant et scanne différentes positions pour obtenir une carte des propriétés optoélectroniques.
Les chercheurs utilisant SPCM peuvent analyser des informations telles que la dynamique des défauts du matériau, la longueur de diffusion des porteurs minoritaires et le champ électrique, ce qui peut aider à améliorer encore les propriétés optiques du matériau.
Avec l’avancement de la technologie informatique, les systèmes SPM modernes s’appuient généralement sur des logiciels avancés de visualisation et d’analyse pour générer des images. Dans ce processus, les logiciels de rendu d'image deviennent indispensables, et différents progiciels tels que Gwyddion et SPIP sont largement utilisés dans le traitement et l'analyse des données SPM.
Avec les progrès technologiques continus, le champ d'application des microscopes à sonde à balayage n'a cessé de s'élargir. Il ne se limite pas seulement à la recherche fondamentale en sciences des matériaux, mais est également largement utilisé en biologie, en chimie, en nanotechnologie et dans d'autres domaines. Ces technologies permettent aux scientifiques d’explorer le monde microscopique sous un angle totalement nouveau et de réaliser des observations plus précises.
En explorant le monde microscopique infini, nous n'avons fait qu'effleurer une fine couche de science. Quels miracles inaperçus seront révélés dans le futur ?
