Voyage dans le nano monde: Observation des atomes par Microscopie à Effet Tunnel Contact: rennes1.fr

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1 Observation des atomes par Microscopie à Effet Tunnel Contact: rennes1.fr Monoxyde de Carbone sur Platine Galerie IBM

2 Institut de Physique de Rennes: présentation Unité Mixte de Recherche (UMR) Université Rennes I et CNRS Physique moléculaire Matière molle Matériaux Nanosciences Optique 5 départements 114 personnels permanents (chercheurs, enseignants chercheurs, ingénieurs, techniciens, administratifs) 60 non permanents (doctorants, post doctorants, stagiaires de master, CDD) Milieux divisés

3 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

4 Quelques échelles! Comment classer les objets suivants sur une échelle? Fullerène Terre Transistor actuel (INTEL ) Ballon de foot Soleil Puce Premier transistor (1947) Grains de pollen Virus de la grippe Cheveu

5 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.

6 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!!

7 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 Seulement les atomes de la surface sont «actifs».

8 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

9 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 Fullerène (1985) Prix Nobel de Chimie 1996 Il faut des outils adaptés pour observer les matériaux Nanotube de carbone (1991)

10 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) Effet tunnel: probabilité non nulle Effet tunnel: que les probabilité électrons passent non nulle de la pointe que les à la surface électrons passent de la (ou pointeàlasurface inversement, selon le signedeu (ou inversement, T ) selon lesignedeu T ) 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

11 z Voyage dans le nano monde: Microscope à Effet tunnel 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!

12 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

13 Microscope à Effet tunnel Microscope à effet tunnel Enceinte ultra vide: pression de bar (La pression dans la salle de cours de 1 bar!) Département Matériaux Nanosciences, Institut de Physique de Rennes

14 Microscope à Effet tunnel Surface de diamant (monocristal) Image STM de 10x10 nm² Kirill Bobrov, Andrew J. Mayne and Gérald Dujardin, Orsay (France) issu du journal 3 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) Nature, 413, 616 (2001)

15 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)

16 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)

17 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)

18 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

19 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» 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

20 Autres applications du STM Manipulation des atomes à l aide de la pointe STM Atomes de Fer sur surface de Cuivre Images IBM Almaden

21 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, AG Prof. Magnussen, 2009)

22 Merci de votre attention!!! Laboratoires à Rennes: rennes1.fr/ rennes1.fr/ Poursuite d études en Sciences: rennes1.fr/ Sites sur le nano monde: monde/

23 Campus de Beaulieu Les études en sciences Biologie Sciences de la terre Chimie Physique Mécanique Electronique Informatique Mathématiques

24 Licence Master Doctorat LMD, 3 niveaux de sortie : Bac + 3 : Licence L Pro Bac + 5 : Master Bac + 8 : Doctorat

25 Chercheur Enseignant chercheur université 8 Enseignant lycée collège école Doctorat Ingénieur, cadre 5 4 Master École ingénieur Technicien supérieur 3 Licence Professionnelle 2 1 Licence Bac Sur dossier de validation d études : CPGE, 1ère année de santé, DUT Année