Image STM d`une surface propre d`un cristal cuivre sous vide

Une surface de cuivre vue par microscopie à effet tunnel
(Scanning Tunneling Microscopy)
J. Cousty
Commissariat à l’Energie Atomique,
Direction des Sciences de la Matière,
Service de Physique et Chimie des Surfaces et Interfaces
Centre d’Etudes de Saclay
91191 Gif sur Yvette
Courriel : [email protected]
La microscopie à effet tunnel permet d’obtenir des images de la surface de matériaux
conducteurs dans différents environnements. Contrairement aux microscopes électroniques à
transmission ou à balayage, on peut, avec un STM, obtenir des images à l’air ou même dans
un liquide. En première approximation, ces images reproduisent la carte des iso densités
d’électrons des atomes de la surface. Quand les maxima de densité sont localisés sur les
atomes (cas le plus fréquent), les images STM peuvent représenter la cartographie, à
résolution atomique, de la surface explorée. Dans ce cas, chaque protubérance dans l’image
correspond à un atome.
Je présente des images de surfaces de cuivre préparé sous vide.
Les métaux usuels sont constitués de petits cristaux caractérisés par un réseau cristallin.
Dans chaque cristal, les atomes sont rangés suivant un réseau particulier à chaque métal. Une
autre façon de décrire un cristal consiste à le considérer comme un empilement de plans
atomiques denses. Une surface qui coupe cet empilement génère un relief particulier en forme
d’escalier.
Plan de la surface
Terrasse
Bord de marche
Plan atomique dense
Un modèle atomique d’un cristal avec des terrasses présentant des atomes arrangés en
carré est représenté dans la figure suivante. La hauteur des marches de l’escalier est égale à
0.18 nm. La distance entre atomes premiers voisins dans une terrasse est égale à 0.255nm
Image STM d’une surface propre d’un cristal cuivre sous vide
Dans les images STM, la cote Z est représentée par la couleur : plus la couleur est claire plus
l’objet est au-dessus du plan moyen de l’image. Les atomes en bord de marche apparaissent
donc plus clairs
Marche de hauteur atomique
Terrasse formée d’atomes
Défauts dans les terrasses
On remarque que les bords de marches ne
sont pas bien définis. En fait, certains
atomes de cuivre bougent à la température
ambiante ce qui cause ce flou. Nous avons
analysé ce flou pour en extraire des
informations sur les grandeurs
caractéristiques de la mobilité de ces
atomes
Détail d’une marche.
Une « boule » correspond à un
atome stable en bord de marche.
Arrangement en carré des atomes
de cuivre sur la terrasse
Distance entre bosses voisines
(atomes de cuivre)= 0.255nm
Instabilité de la pointe du STM
Direction de balayage rapide de la
pointe
En présence d’impuretés (phosphore) qui s’adsorbent sur la surface de cuivre, d’autres arrangements atomiques
apparaissent.
Deux types d’organisation des atomes de
phosphore (petite bosse):
- désordonnée à gauche de l’image
- ordonnée à droite. Cette organisation
dépend du réseau du cuivre sousjacent. La distance entre atomes
proche voisins est égale à
0.255x2=0.51nm
On note aussi que les défauts s’observent
plus facilement dans la partie cristalline.
Défauts