Voyage dans le nano monde: Observation des atomes par Microscopie à Effet Tunnel. Sophie Guézo Alexandra Junay
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- Marie-Josèphe Pierre
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1 Observation des atomes par Microscopie à Effet Tunnel Sophie Guézo Alexandra Junay
2 Institut de Physique de Rennes: présentation Unité Mixte de Recherche (UMR) Université Rennes I et CNRS Physique moléculaire Matière molle 5 départements 114 personnels permanents 60 non permanents Matériaux Nanosciences Optique Milieux divisés
3 Les métiers au Laboratoire Ingénieurs de Recherche Ingénieurs d étude Administratifs Stagiaires (Masters) Techniciens Doctorants (Bac+5) Post doctorants (Bac+8) Chercheurs (CNRS) Chargés de recherche (Dr) ou Directeurs de recherche (HDR) Enseignants Chercheurs (Université) Maîtres de conférences (Dr) ou Professeurs (HDR)
4 définitions Physique Médecine Mécanique Chimie Nanosciences: étude de phénomènes et de matériaux à l échelle nanométrique (du grec νανος: petit, nain) Nanotechnologies: conception, caractérisation, production, et applications de structures dont on contrôle la forme et la taille à l échelle nanométrique Biologie Informatique Sciences Humaines Electronique
5 Quelques échelles! Comment classer les objets suivants sur une échelle? Fullerène Terre Transistor actuel (INTEL ) Ballon de foot Soleil Puce Virus de la grippe Premier transistor (1947) Grains de pollen Cheveu
6 Quelques échelles! Comment classer les objets suivants sur l échelle? 10 9 m 10 8 m 10 7 m 10 6 m 10 5 m 10 4 m 10 3 m 10 2 m 10 1 m 1m 10 7 m 10 8 m 10 9 m 1 nm 1 µm 100 µm 1 cm 10 4 km 10 6 km Autre exemple: Combien de transistors dans un téléphone portable? 10 millions.
7 Etats de la matière 3 états de la matière: gaz, liquide, solide Solide: combien d atomes dans 1cm 3 de matière? 10 3 atomes? 10 7 atomes? atomes? atomes? 1 cm atomes? atomes? atomes!!
8 Etats de la matière Nanotechnologies: diminution de la taille des objets Le rapport surface/volume devient plus important (il varie comme l inverse du rayon) 1 cube de sucre = 6 cm 2 de surface Le même cube coupé en nanocristaux de 1 nm de côté donne une surface de cm 2 = 6000 m 2 Un terrain de foot! Seulement les atomes de la surface sont «actifs».
9 Organisation des atomes dans un solide opale : SiO 2 (H 2 O) quartz : SiO 2 cristallisé Solide amorphe: pas d ordre à longue distance Cristal: organisation périodique des atomes
10 Organisation des atomes dans un solide Organisation des atomes différente: Propriétés mécaniques et électroniques très différentes Graphite Diamant Exemple: le carbone Graphène (2004) Prix Nobel de Physique 2010 Nanotube de carbone (1991) Fullerène (1985) Prix Nobel de Chimie 1996 Il faut des outils adaptés pour observer les matériaux!
11 Observer la matière à l échelle de l atome Microscopie à Effet Tunnel (en anglais: Scanning Tunneling Microscopy ou STM) 1981: Invention du STM par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer (IBM, Zurich) Analogie avec un circuit de physique «classique» A UT Effet tunnel: probabilité non nulle que les électrons passent de la pointe à la surface (ou inversement, selon le A signe de U T ) UT Interrupteur ouvert: Pas de courant dans le circuit (I= 0A) échantillon Interrupteur fermé: Courant non nul dans le circuit (I 0A) Effet tunnel Observation de surfaces de matériaux conducteurs et semiconducteurs Manipulation des atomes I T ~ 1 na (10 9 Ampère) U T ~ quelques Volts
12 Observer la matière à l échelle de l atome Microscopie à Effet Tunnel (en anglais: Scanning Tunneling Microscopy ou STM) Effet tunnel: probabilité non nulle que les électrons passent de la pointeàlasurface (ou inversement, selon lesignedeu T ) Z échantillon Z: distance pointe-surface Observation de surfaces de matériaux conducteurs et semiconducteurs Manipulation des atomes I T ~ 1 na (10 9 Ampère) U T ~ quelques Volts
13 z Voyage dans le nano monde: Microscope à Effet tunnel Echantillon 3 ème plan 2 ème plan 1 er plan x Consigne I T = constante : la pointe bouge selon z Seulement quelques atomes à l extrémité de la pointe!
14 Observer la matière à l échelle de l atome Microscope à Effet Tunnel (en anglais: Scanning Tunneling Microscopy ou STM) apex 0.2 mm surface A. Emundts, Forschungszentrum Jülich
15 Microscope à Effet tunnel Microscope à effet tunnel Enceinte ultra vide: pression de bar (Pression dans la salle de cours: 1 bar!) Département Matériaux Nanosciences, Institut de Physique de Rennes, Campus Beaulieu, Rennes
16 Microscope à Effet tunnel Surface de diamant (monocristal) Arrangement des atomes en lignes de dimères (deux atomes de carbone liés) D un plan atomique à l autre, les lignes de dimères sont perpendiculaires les unes par rapport aux autres Propriétés mécaniques et électroniques remarquables Exemples d applications: Isolant dans les circuits électroniques Industrie: coupe et polissage des matériaux Biologie (biocompatibilité) Image STM de 10x10 nm² Kirill Bobrov, Andrew J. Mayne and Gérald Dujardin, Orsay (France) issu du journal Nature, 413, 616 (2001)
17 Microscope à Effet tunnel Surface de graphite (carbone) Organisation des atomes à longue distance sous forme d héxagones Sous forme de feuillets (facile à cliver) Image STM de 5x5 nm² Département Matériaux Nanosciences, Rennes Pascal Turban Exemples d applications: mine de crayon!! (liaisons perpendiculaires au plan très faibles) Industrie: électrodes (conductivité différente dans le plan et perpendiculaire au plan)
18 Microscope à Effet tunnel Surface de molécules de fullerènes sur une surface de Cuivre Image STM de 90x80 nm² Equipe de R. Berndt, Kiel, Allemagne, issus des journaux Nano Lett., 2011, 11 (9), pp et J. Phys.: Condens. Matter 20 (2008) Différentes positions des molécules sur la surface (liaisons différentes) Conductivité électrique différente Exemples d applications: Électronique moléculaire (lien entre géométrie et propriétés électroniques) Filtres optiques (absorbe dans l UV) Energie (supraconductivité)
19 Microscope à Effet tunnel Surface d un nanotube de carbone déposé sur de l or (Au) Image STM de 6x3 nm² L.C. Venema, etc., Delft, Hollande, issu du journal Appl. Phys. A 66, S153 (1998) Écran plat de la société Samsung Enroulement des nanotubes de carbone de différentes manières (angle Φ différent) Propriétés électroniques différentes (métal ou semiconducteur) Propriétés mécaniques remarquables (plus résistant que l acier) Exemples d applications: Électronique moléculaire (nanofils, écrans plats) Optique (fibres) Matériaux composites (renforcement mécanique)
20 Microscope à Effet tunnel Surface de graphène Images STM de 1 nm² (gauche: graphène; droite: graphite) E. Stolyarova, etc., NY, USA, issu du journal PNAS 104, 9209 (2007) Organisation des atomes à longue distance sous forme de hexagones Propriétés électroniques remarquables (déplacement des électrons très rapide) Exemples d applications: Électronique moléculaire (grande mobilité des électrons) Capteurs de gaz
21 Microscope à Effet tunnel Microscope à Effet Tunnel (STM): 30 ans Observation des surfaces de matériaux (métal ou semiconducteur) avec une résolution atomique Méthode «non destructive» («n abîme» pas les matériaux) Exemple: le carbone Des matériaux aux propriétés très différentes!! Observation des matériaux à l échelle de l atome: permet de comprendre les phénomènes observés à l échelle macroscopique
22 Autres applications du STM Manipulation des atomes à l aide de la pointe STM Atomes de Fer sur surface de Cuivre Images IBM Almaden
23 Autres applications du STM Vidéo STM: observations de la dynamique des atomes en temps réel!! Atomes de Plomb diffusant sur une surface de cuivre, à température ambiante (Kiel, Allemagne, S. Guézo, AG Prof. Magnussen, 2009)
24 Pointe sèche, auteur: William Augel (Espace des Sciences, sciences.org/sciencesouest/rubrique/306) Laboratoires de physique ou de chimie à Rennes: rennes1.fr/ rennes1.fr/ Poursuite d études en Sciences: rennes1.fr/ Sites sur le nano monde: Merci de votre attention! Animations présentées ici: monde/ Contacts: alexandra.junay@univ rennes1.fr sophie.guezo@univ rennes1.fr
25 Février 2013: Dossier spécial «tout est nano dans notre vie» Revue Sciences ouest (revue de l espace des sciences) sciences.org/explorer/evenements/42884/scientifiques dans la ville Février 2013: «Scientifiques dans la ville» Sur TV Rennes tous les mercredis soirs
26 Campus de Beaulieu: Les études en sciences Biologie Sciences de la terre Chimie Physique Mécanique Electronique Informatique Mathématiques
27 Licence Master Doctorat Licence Master Doctorat LMD, 3 niveaux de sortie : Bac + 3 : Licence L Pro Bac + 5 : Master Bac + 8 : Doctorat
28 Licence Master Doctorat 8 Enseignant lycée collège école Chercheur Enseignant université Doctorat Ingénieur, cadre Des passerelles sont possibles entre les filières 5 4 M2 Master à vocation : recherche / professionnelle / enseignement M1 formation d ingénieurs Techniciens supérieurs L3 L2 L1 Licence Licence Professionnelle IUT Bac Année
29 Offre de formation en Physique: Communications Astrophysique Enseignement Biomédical Environnement Astrophysique Aéronautique Transports Matériaux Energie
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