rapport d'activités 2003-2008 - RQMP

Caractérisation de systèmes moléculaires :
étude des surfaces par l’intégration des techniques de microscopie à effet tunnel, à force atomique et à champ ionique
Chercheurs : Peter Grütter, Yoichi Miahara et Hong Guo
Collaborateurs : U. Dürig (IBM); W. Hofer (Liverpool); G. Cross (Trinity College); A. Schirmeisen (Muenster)
Étudiants : Mehdi El Ouali et Till Hagedorn
Contact : Peter Grütter; peter@physics.mcgill.ca; www.physics.mcgill.ca/spm
Ce projet comporte trois aspects : la formation des contacts à l’échelle atomique, la nanoindentation,
et l’approfondissement de notre compréhension des mécanismes de contraste en
microscopie à effet tunnel et microscopie à force atomique (STM/AFM).
Nous avons fabriqué un instrument qui combine les techniques
de microscopie à effet tunnel (Scanning Tunneling
Microscope – STM), de microscopie à force atomique (Atomic
Force Microscopy – AFM) et de microscopie à champ ionique
(Field Ion Microscope – FIM) afin d’étudier les interactions
mécaniques et électroniques de systèmes caractérisés
à l’échelle atomique.
supérieur. La pointe est amenée de 16 angströms jusqu’au
contact, enfoncée de 2 angströms, puis retirée; le cycle est
répété. Le courant (bleu) et la force (rouge) fournissent l’information
sur la formation du contact [2].
Nous avons récemment démontré comment utiliser la FIM pour
visualiser et reconstruire la structure atomique d’une pointe de
STM. Une séquence d’images FIM est présentée à la figure 1.
L’application d’impulsions de tension nous permet de modifier
la structure de la pointe, un atome à la fois ! Cette pointe, fabriquée
sur mesure, servira par la suite à caractériser des surfaces
par STM ou AFM, avec une résolution atomique.
Figure 1. La FIM fournit des données précises sur la pointe du STM qui nous
permettent d’en modifier la structure. Les points clairs représentent des atomes
individuels de tungstène.
Nous nous intéressons particulièrement à l’électronique moléculaire,
une nouvelle discipline de la physique qui vise à observer,
mesurer et utiliser les phénomènes de transport quantique
à l’échelle moléculaire. Comprendre les effets du transport
quantique dans les nanostructures et les molécules est non
seulement essentiel à pousser la science fondamentale, mais
aussi, à développer les technologies de l’information. En
effet, plus les dispositifs électroniques sont miniaturisés, plus
leurs propriétés de transport dépendent d’effets quantiques.
Cependant, peu de techniques expérimentales nous permettent
de mesurer les propriétés de transport électronique avec
une résolution atomique. Par exemple, la technique de jonction
de ruptures est peu précise pour des détails essentiels
comme la position des liens ou l’orientation moléculaire; de
plus, le nombre d’atomes n’y est pas contrôlé. Or, les calculs
théoriques démontrent que les propriétés de transport dépendent
largement des caractéristiques aux contacts.
La figure 2 illustre la formation d’un contact entre une pointe
de trois atomes et une surface d’or (111). La force et le courant
sont mesurés simultanément en fonction de la distance séparant
la pointe de l’échantillon, indiquée sur l’axe horizontal
Figure 2. Mesure simultanée de la force et du courant au cours de cycles de
rapprochement et d’éloignement entre pointe et échantillon.
La nano-indentation nous renseigne précisément sur la formation
de bris et de dislocations dans les métaux. Or, notre pointe
de trois atomes est à ce jour le plus petit et le mieux défini
des nano-indenteurs [3], et nous permettra d’aborder plusieurs
questions fondamentales : Est-ce que le comportement à
l’échelle atomique est similaire aux observations macro s-
copiques ? Est-ce que des résultats obtenus à cette échelle
demeurent en accord avec les modèles théoriques ?
Références
[1] “Determination of the atomic structure of scanning probe microscopy tungsten
tips by field ion microscopy”, A.A. Lucier, H. Mortensen, Y. Sun et P. Grutter,
Phys. Rev. B 72, 235420 (2005).
[2] “From tunneling to point Contact : Correlation between forces and current”,
Y. Sun, H. Mortensen, S. Schar, A.S. Lucier, Y. Miyahara et P. Grutter,
Phys. Rev. B 71, 193407 (2005).
[3] “Plasticity, healing and shakedown in sharp-asperity nanoindentation”,
G.L.W. Cross, A. Schirmeisen, P. Grutter et U.T. Durig,
Nature Materials 7, 370 (2006).
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