Image d'un microscope à effet tunnel (STM, à gauche) et un microscope à boîte quantique à balayage (SQDM, droit). A l'aide d'un microscope à effet tunnel, la structure physique d'une surface peut être mesurée au niveau atomique. La microscopie à points quantiques peut visualiser les potentiels électriques sur la surface à un niveau de détail similaire - une combinaison parfaite. Crédit :Forschungszentrum Jülich / Christian Wagner
Une équipe de chercheurs de Jülich en coopération avec l'Université de Magdebourg a développé une nouvelle méthode pour mesurer les potentiels électriques d'un échantillon avec une précision atomique. En utilisant des méthodes conventionnelles, il était pratiquement impossible jusqu'à présent d'enregistrer quantitativement les potentiels électriques qui se produisent à proximité immédiate de molécules ou d'atomes individuels. La nouvelle méthode de microscopie à points quantiques à balayage, qui a été récemment présenté dans la revue Matériaux naturels par des scientifiques du Forschungszentrum Jülich avec des partenaires de deux autres institutions, pourrait ouvrir de nouvelles opportunités pour la fabrication de puces ou la caractérisation de biomolécules telles que l'ADN.
Les noyaux atomiques positifs et les électrons négatifs dont toute la matière est constituée produisent des champs de potentiel électrique qui se superposent et se compensent, même sur de très courtes distances. Les méthodes conventionnelles ne permettent pas des mesures quantitatives de ces champs de petite surface, qui sont responsables de nombreuses propriétés et fonctions des matériaux à l'échelle nanométrique. Presque toutes les méthodes établies capables d'imager de tels potentiels sont basées sur la mesure des forces causées par des charges électriques. Pourtant, ces forces sont difficiles à distinguer des autres forces qui se produisent à l'échelle nanométrique, ce qui empêche les mesures quantitatives.
Il y a quatre ans, cependant, des scientifiques du Forschungszentrum Jülich ont découvert une méthode basée sur un principe complètement différent. La microscopie à point quantique à balayage consiste à attacher une seule molécule organique - le point quantique - à la pointe d'un microscope à force atomique. Cette molécule sert alors de sonde. "La molécule est si petite que nous pouvons attacher des électrons individuels de la pointe du microscope à force atomique à la molécule de manière contrôlée, " explique le Dr Christian Wagner, chef du groupe Manipulation Mécanique Contrôlée de Molécules à l'Institut Peter Grünberg de Jülich (PGI-3).
Les chercheurs ont immédiatement reconnu à quel point la méthode était prometteuse et ont déposé une demande de brevet. Cependant, l'application pratique était encore loin. "Initialement, il s'agissait simplement d'un effet surprenant dont l'applicabilité était limitée. Tout a changé maintenant. Non seulement pouvons-nous visualiser les champs électriques d'atomes et de molécules individuels, on peut aussi les quantifier précisément, " explique Wagner. " Ceci a été confirmé par une comparaison avec des calculs théoriques effectués par nos collaborateurs luxembourgeois. En outre, nous pouvons imager de grandes zones d'un échantillon et ainsi montrer une variété de nanostructures à la fois. Et nous n'avons besoin que d'une heure pour une image détaillée."
Les chercheurs de Jülich ont passé des années à étudier la méthode et ont finalement développé une théorie cohérente. La raison des images très nettes est un effet qui permet à la pointe du microscope de rester à une distance relativement grande de l'échantillon, environ deux à trois nanomètres, ce qui est inimaginable pour un microscope à force atomique normal.
Dr Christian Wagner avec un modèle de la molécule PTCDA, qui sert de point quantique. Crédit :Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau
Dans ce contexte, il est important de savoir que tous les éléments d'un échantillon génèrent des champs électriques qui influencent la boîte quantique et peuvent donc être mesurés. La pointe du microscope agit comme un bouclier protecteur qui atténue les champs perturbateurs des zones de l'échantillon plus éloignées. "L'influence des champs électriques blindés diminue ainsi de façon exponentielle, et la boîte quantique ne détecte que la zone environnante immédiate, " explique Wagner. " Notre résolution est donc beaucoup plus précise que ce que l'on pourrait attendre d'une sonde ponctuelle idéale. "
Les chercheurs de Jülich doivent la vitesse à laquelle la surface complète de l'échantillon peut être mesurée à leurs partenaires de l'Université Otto von Guericke de Magdebourg. Les ingénieurs y ont développé un contrôleur qui a aidé à automatiser le complexe, séquence répétée de balayage de l'échantillon. "Un microscope à force atomique fonctionne un peu comme un tourne-disque, " dit Wagner. " La pointe se déplace sur l'échantillon et reconstitue une image complète de la surface. Dans les précédents travaux de microscopie à points quantiques à balayage, cependant, nous avons dû nous déplacer sur un site individuel de l'échantillon, mesurer un spectre, passer au site suivant, mesurer un autre spectre, etc, afin de combiner ces mesures en une seule image. Avec le contrôleur des ingénieurs de Magdebourg, nous pouvons maintenant simplement scanner toute la surface, tout comme avec un microscope à force atomique normal. Alors que cela nous prenait 5 à 6 heures pour une seule molécule, nous pouvons maintenant imager des zones d'échantillons avec des centaines de molécules en seulement une heure."
Il y a aussi quelques inconvénients, toutefois. La préparation des mesures demande beaucoup de temps et d'efforts. La molécule servant de point quantique à la mesure doit être préalablement fixée sur la pointe, ce qui n'est possible que dans le vide à basse température. En revanche, les microscopes à force atomique normaux fonctionnent également à température ambiante, sans besoin de vide ni de préparations compliquées.
Et encore, le professeur Stefan Tautz, directeur au PGI-3, est optimiste :« Cela ne doit pas limiter nos options. Notre méthode est encore nouvelle, et nous sommes enthousiasmés par les premiers projets afin de pouvoir montrer ce qu'il peut vraiment faire."
Il existe de nombreux domaines d'application pour la microscopie à boîte quantique. L'électronique des semi-conducteurs repousse les limites d'échelle dans des domaines où un seul atome peut faire la différence pour la fonctionnalité. L'interaction électrostatique joue également un rôle important dans d'autres matériaux fonctionnels, tels que les catalyseurs. La caractérisation des biomolécules est une autre piste. Grâce à la distance relativement grande entre la pointe et l'échantillon, la méthode convient également aux surfaces rugueuses, telles que la surface des molécules d'ADN, avec leur structure 3D caractéristique.