Microscope a effet tunnel

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Physique de surfaces

Microscopie à effet tunnel (STM)
CELNIKIER Yoshua, SALLES Benjamin Master de science des matériaux et des nano-objets Envoyé le 9 février 2007

Introduction L’objectif de ce T.P est d’effectuer une première approche à la microscopie à effet tunnel (STM). Afin d’entrer en matière, nous avons étudié la surface d’un échantillon de graphite à l’air libre et à températureambiante. Cette étude est généralement effectuée en guise de test afin de vérifier le bon fonctionnement du matériel (pointe, dérive de balayage, propriétés mécaniques du système…). Nous tâcherons, dans le cadre d’une première partie, de décrire le dispositif. Une seconde partie sera consacrée au protocole expérimental à suivre, ainsi qu’aux quelques problèmes rencontrés lors de l’expérience. Enfin,nous procéderons à l’analyse des données obtenues et ce dans le cadre d’une troisième partie. Nous mettrons notamment en évidence la structure de réseau direct et réciproque, la topographie de la surface étudiée… 1. Description du dispositif 1.1. Description du graphite

Structure en «nid d’abeille » du graphène L’intérêt d’utiliser un échantillon de graphite réside dans la facilité de cliverune surface. Ceci provient que les interactions qui lient deux plans consécutifs de graphène sont suffisamment faibles pour que l’on puisse les separer à l’aide d’un scotch. En effet, les interactions de Van der Waal sont responsables de la liaison entre deux plans. Par ailleurs le fait que les liaisons, au sein d’un plan de graphène, soit bien plus importante, permet

d’expliquer que lorsquenous clivons, nous obtenons des surfaces très lisses ce qui est donc un avantage supplémentaire. 1.2. Description de la pointe. La pointe utilisée est en Platine Iridium, qui présente l’avantage de constituer à la fois un bon conducteur ainsi que celui d’être relativement inerte, évitant d’agréger trop d’impuretés. Pour crée une pointe de ce genre nous n’avons besoin que d’une pince, d’une pincecoupante et d’un fil en Platine iridium. Lorsque nous effectuons des expériences STM dans une enceinte ultra vide, il est fréquent d’utiliser des pointes en tungstène. Elles sont très rigide et résiste à des températures très élevées. Ce qui nous permet de nettoyer la pointe en tungstène en la chauffant ou sinon en appliquant une forte différence de tension entre la pointe une surface qui recueilleles saletés. 1.3. Description de l’appareil

Nous pouvons voir ci-dessus une photo du modèle du STM utilisé pendant le travail pratique. Le dispositif est relativement simple. Tout se passe dans la cavité demi cylindrique que nous pouvons voir sur la photo. La pointe est solidaire à un cristal piézoélectrique à l’extrémité de la cavité. Elle est orientée horizontalement. Le cristal piézo permetde la translater dans les trois directions de l’espace avec une précision meilleur que l’angstrom. L’échantillon de graphène est solidaire à l’extrémité d’une barre métallique cylindrique qu’on doit poser dans la cavité. Un moteur piézo placé au fond de cette dernière permet de déplacer la barre métallique parallèlement à son axe et ainsi rapprocher l’échantillon de la pointe, cette méthode estapellée de « slip stick ». Un voyant lumineux permet de signaliser si la pointe est assez proche de l’échantillon pour que nous puisse faire une image et aussi pour prévenir tout contact entre la pointe et l’échantillon. D’autres voyants indiquent le mode d’utilisation de l’appareil (STM, AFM…). A partir du moment où la manip est en place tout est piloté avec un ordinateur à travers un logicieladapté. Il existe plusieurs logiciels plus ou moins complets capables de réaliser la manip.

2. Protocole expérimentale 2.1. Protocole expérimentale La spectroscopie à effet tunnel est une expérience très sensible aux vibrations. Pour éviter que les vibrations provenant du sol perturbent nos mesures nous avons placé le STM sur une table rigide qui est posée sur quatre balles de tennis. Cette...
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