Orbitales atomiques d'atomes de carbone dans le graphène. Crédit :Université de technologie de Vienne
Un microscope électronique ne peut pas simplement prendre une photo comme le peut l'appareil photo d'un téléphone portable. La capacité d'un microscope électronique à imager une structure - et le succès de cette imagerie - dépend de votre compréhension de la structure. Des calculs de physique complexes sont souvent nécessaires pour exploiter pleinement le potentiel de la microscopie électronique. Une équipe de recherche internationale dirigée par le professeur Peter Schattschneider de la TU Wien a entrepris d'analyser les opportunités offertes par l'EFTEM, c'est la microscopie électronique à transmission filtrée en énergie. L'équipe a démontré numériquement que dans certaines conditions, il est possible d'obtenir des images claires de l'orbitale de chaque électron individuel dans un atome. La microscopie électronique peut donc être utilisée pour pénétrer jusqu'au niveau subatomique – des expériences dans ce domaine sont déjà prévues. L'étude vient d'être publiée dans la revue de physique Lettres d'examen physique .
A la recherche de l'orbitale électronique
Nous pensons souvent aux électrons atomiques comme de petites sphères qui tournent autour du noyau de l'atome comme de minuscules planètes autour d'un soleil. Cette image se reflète à peine dans la réalité, toutefois. Les lois de la physique quantique stipulent que la position d'un électron ne peut pas être clairement définie à un moment donné. L'électron est effectivement étalé sur une zone proche du noyau. La zone qui pourrait contenir l'électron s'appelle l'orbitale. Bien qu'il soit possible de calculer la forme de ces orbitales depuis longtemps, les efforts pour les imager avec des microscopes électroniques ont été infructueux à ce jour.
"Nous avons calculé comment nous pourrions avoir une chance de visualiser les orbitales avec un microscope électronique", », déclare Stefan Löffler du Centre de service universitaire pour la microscopie électronique à transmission (USTEM) de la TU Wien. "Graphène, qui est composé d'une seule couche d'atomes de carbone, est un excellent candidat pour cette tâche. Le rayon électronique est capable de traverser facilement le graphène avec pratiquement aucune diffusion élastique. Une image de la structure du graphène peut être créée avec ces électrons."
Peter Schattschneider, Johannes Bernardi, Stefan Löffler. Crédit :Université de technologie de Vienne
Les chercheurs connaissent depuis un certain temps le principe de la « microscopie électronique à transmission à filtre énergétique » (EFTEM). EFTEM peut être utilisé pour créer des visualisations assez spécifiques de certains types d'atomes tout en bloquant les autres. Pour cette raison, il est souvent utilisé aujourd'hui pour analyser la composition chimique d'échantillons microscopiques. "Les électrons projetés à travers l'échantillon peuvent exciter les atomes de l'échantillon", explique Stefan Löffler. "Cela coûte de l'énergie, Ainsi, lorsque les électrons émergents émergent de l'échantillon, ils sont plus lents que lorsqu'ils y sont entrés. Ce changement de vitesse et d'énergie est caractéristique de certaines excitations d'orbitales électroniques dans l'échantillon."
Une fois que les électrons ont traversé l'échantillon, un champ magnétique trie les électrons par énergie. "Un filtre est utilisé pour bloquer les électrons qui ne présentent pas d'intérêt :l'image enregistrée ne contient que les électrons qui transportent les informations souhaitées."
Les défauts peuvent être utiles
L'équipe a utilisé des simulations pour étudier comment cette technique pourrait aider à atteindre un tournant dans l'étude des orbitales électroniques. Ce faisant, ils ont découvert quelque chose qui facilitait en fait l'imagerie des orbitales individuelles :"La symétrie du graphène doit être brisée", dit Stéphane. "Si, par exemple, il y a un trou dans la structure du graphène, les atomes juste à côté de ce trou ont une structure électronique légèrement différente, permettant d'imager les orbitales de ces atomes. La même chose peut se produire si un atome d'azote plutôt qu'un atome de carbone se trouve quelque part dans le graphène. En faisant cela, il est important de se concentrer sur les électrons trouvés dans une fenêtre énergétique étroite et précise, minimiser certaines aberrations de la lentille électromagnétique et, enfin et surtout, utiliser un microscope électronique de premier ordre." Tous ces problèmes peuvent être surmontés, cependant, comme le montrent les calculs du groupe de recherche.
La Humboldt-Universität zu Berlin, l'Université d'Ulm, et l'Université McMaster au Canada ont également travaillé aux côtés de la TU Wien sur l'étude dans le cadre d'un projet conjoint FWF-DFG ("Towards orbital mapping", I543-N20) et un projet FWF Erwin-Schrödinger ("EELS aux interfaces", J3732-N27). Ulm développe actuellement un nouveau microscope électronique à transmission haute performance qui sera utilisé pour mettre ces idées en pratique dans un avenir proche. Les premiers résultats ont déjà dépassé les attentes.
