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NANOPHYSIQUEINTRODUCTION PHYSIQUE AUX NANOSCIENCES
Pierre GASPARD
2011-2012
2. PRINCIPALES METHODES DE MICROSCOPIE
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MICROSCOPES OPTIQUES OU ELECTRONIQUESElectromagnétisme (photons) ou mécanique quantique (électrons)
ONDES PROPAGATIVES: exp(ikx)=exp(i2x/) Les ondes sont défléchies par les variations de l’indice de réfraction ou du potentiel perçu par les électrons.
Image obtenue dans la limite de courte longueur d’onde (optique géométrique ou mécanique classique)
Résolution limitée par la longueur d’onde (diffraction):
Ondes électromagnétiques: = c/c = 300000 km/s
lumière visible: = 500 nm 1000 X rayons X: = 0.1 - 10 nm 1000000 X
Ondes électroniques (de Broglie): = h/p h = 6.62 10-34 J s impulsion après accélération dans un potentiel électrique V: p = (2meV)1/2
V = 40 - 1500 kV = 1 - 0.05 nm 1000000 X - 50000000 X
ONDES EVANESCENTES: effet tunnel exp(x)=exp(x/l) méthode local: balayage
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MICROSCOPES OPTIQUESlumière visible: = 500 nm 1000 X résolution latérale 200 nm
Méthodes sous-diffractives: résolution de 10 nm pour des objets quasi ponctuels
Microscope à fluorescence: molécules/protéines fluorescentes
Cellules endothéliales d’artères pulmonaires de bovins: ^noyaux en bleu, microtubules en vert, filaments d’actine en rouge
Détection de molécules YFP individuelles dans des cellules de cancer humain >
Microscope confocal: balayage dans le plan focal: images 3D: résolution latérale 160-180 nm résolution en profondeur 600 nm
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MICROSCOPE OPTIQUE A FLUORESCENCEPossibilité d’observation du mouvement dans des conditions ambiantes
H. Noji, R. Yasuda, M. Yoshida, & K. Kinosita Jr., Nature 386 (1997) 299
m
1,3 tour / sec
0,5 tour / sec
Filament d’actine de 1m
marqué par des molécules fluorescentes
Moteur F de 10 nm1
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CRISTALLOGRAPHIE AUX RAYONS X
rayons X: = 0.1 - 10 nm 1000000 X
espacements des atomes ou des molécules dans les cristaux
1912 CuSO4 sulfate de cuivre Max von Laue1914 NaCl (liaisons ioniques) Diamant (C-C = 0.152 nm) Cu CaF2 fluorite W. L. Bragg CaCO3 calcite FeS2 pyrite• MgAl2O4 spinel1916 TiO2 (rutile & anatase) graphite …1937 cholestérol D. Cr. Hodgkin1945 vitamine B12 D. Cr. Hodgkin1953 ADN R. Franklin, M. Wilkins, J. D. Watson, F. Crick1954 pénicilline D. Cr. Hodgkin1958 myoglobine M. Perutz, J. C. Kendrew1969 insuline D. Cr. Hodgkin1994 F1-ATPase J. E. Walker et al.2000 ribosome V. Ramakrishnan, T. A. Steitz, A. E. Yonath
synchrotrons
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MICROSCOPE ELECTRONIQUE A TRANSMISSION - TEM
Ondes électroniques (de Broglie): = h/p h = 6.62 10-34 J s impulsion après accélération dans un potentiel électrique V: p = (2meV)1/2
V = 40 - 1500 kV = 1 - 0.05 nm 1000000 X - 50000000 X
1933 E. Ruska faisceau électronique dans le vide
HT alimentation haute tension du canon à électronsC cathode à émission de champA anode doubleD diaphragmeCd lentille condensatriceO objet étudiéP0 plan de focalisation optimaleObj letille objectifI’ image intermédiairePj lentille projectriceE écran d’observation
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MICROSCOPE ELECTRONIQUE A TRANSMISSION - TEM
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MICROSCOPE ELECTRONIQUE A BALAYAGE - SEM
• faisceau dans le vide • couche métallique sur l’échantillon
grains de pollen (micromètres)
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SEM + MICROANALYSEUR A RAYONS X
Spectrographe à rayons X: analyse chimique in situ
Niveaux électroniques du cœur atomique
Modèle de Bohr:
En = 13.6 eV Z2/n2
h = Em - En
Loi de Moseley:
Z = Ze + a 1/2
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MICROSCOPE A EMISSION DE CHAMP
FEM: « Field emission electron microscope » (FEEM)
Electrons émis par une pointe à un potentiel négatif
(pas de résolution atomique)
FIM: « Field ion microscope »
Pointe à un potentiel positif:
gaz révélateur dans l’enceinte (néon)
dont les atomes s’ionisent sur la pointe et sont projetés sur l’écran
(résolution atomique dans les conditions cryogéniques 50 K)
(résolution atomique perdue à plus hautes températures)
r = 10 - 100 nm -> R = 10 cm
E. W. Müller (1951-1955)
001
011101
111
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Microscope à émission de champ
Explosion coulombienne
par effet de pointe sous une forte différence de potentiel électrique
E. W. Müller (1951-1955)
Pointe d’iridium (diamètre ~35 nm)
Laboratoire de Norbert Kruse, ULB
001
011101
111
E. W. Müller, Sci. Amer. (mai 1952) p. 58; (juin 1957) p. 113.
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Microscope à émission de champ
Pointe de platine (diamètre ~20 nm) gaz révélateur: néonchamp électrique: 35 V/nm
Laboratoire de Norbert Kruse, ULB
001
011101
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Th. Visart de Bocarmé & N. Kruse, Chaos 12 (2002) 118
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Microscope à émission de champLaboratoire de Norbert Kruse, ULB
001
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N. Kruse & T. Visart
pointe de rhodium (diamètre ~10 nm) gaz révélateur: néon 55 K champ électrique: 35 V/nm
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001
011101
111
Pointe de platine (diamètre 63 nm)
Laboratoire de Norbert Kruse, ULB
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Microscope à effet tunnel électronique
• balayage de la surface
• distance entre la pointe et la surface
NIST, USA
H. K. Wickramasinghe, Sci. Amer. (octobre 1989) p. 98.
H. Rohrer & G. Binnig, laboratoire IBM, Zurich (1981)
Contrôle de la pointe avec des piézoélectriques:
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Microscope à effet tunnel électronique
Effet tunnel: effet quantique
courant électrique dans le videentre la pointe et la surface
augmentation exponentiellede la résistance électrique avecla distance
G. Binnig et al., Appl. Phys. Lett. 40 (1982) 178.P. Hawkes, Electrons et microscopes: Vers les nanosciences (Belin, Paris, 1995).
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Microscope à effet tunnel électronique
Surface de silicium
Adatomes de xénon sur une surface de graphite
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Microscope à effet tunnel électronique
Surface de cuivre
Surface de graphite
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Manipulation d’atomes sur une surface
Déplacement des atomes avec lapointe d’un microscope à effet
tunnel électronique (STM)
adatomes de fer sur une surface de cuivre
IBM Almaden, USA
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Manipulation d’atomes sur une surface
Arènes quantiques:ondes électroniques de surface
adatomes de fer sur une surface de cuivre
IBM Almaden, USA
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Manipulation d’atomes sur une surface
Ecriture nanométrique
IBM Almaden, USA