Discipline : Nanotechnologies - Durée du programme : 20 mn - Date de réalisation : 01/01/2006
Documentaire : Au coeur des nanosciences - L'acoustique picoseconde - Le microscope à effet tunnel (STM)
Réalisateur : Hervé Colombani - Images : Samia Serri, Jean-Paul Flourat - Montage : Micaëla Perez - Musique : Vincent Bühler - Mixage : Pierre Guignot
Producteur délégué : Michèle Brédimas - Producteur exécutif : Samia Serri - Studio vidéo Université Paris 7 Denis Diderot
Des produits de plus en plus petits, plus légers, moins chers, des progrès dans les domaines des télécommunications, de la santé, de l'environnement : les nanosciences et les nanotechnologies sont au coeur de cette évolution (on parle même de « révolution »). A l'Institut des Nanosciences de Paris, des physiciens, des acousticiens, des opticiens, des chimistes unissent leurs efforts pour mettre en évidence et comprendre les propriétés nouvelles qui surgissent dans les matériaux lorsqu'ils sont confinés, jusqu'à l'échelle du nanomètre. Pour fabriquer, manipuler, observer et caractériser ces objets, les chercheurs développent des méthodes et des instruments toujours plus performants. Ils peuvent ainsi étudier les processus électroniques, les phénomènes de propagation acoustique ou optique et s'intéresser aux interfaces entre ces petits objets et leur environnement. Porteuses d'espoir pour les uns, de crainte pour les autres, les recherches dans le domaine des nanosciences suscitent des questionnements et nécessitent une réflexion éthique sur les évolutions futures et leur impact social.
L'acoustique picoseconde un sonar pour les nanosciences:
Depuis son avènement en 1984, l'acoustique picoseconde a excellée dans bien des domaines, en particulier celui des multicouches, autant d'un point de vue fondamental qu'appliqué. En effet, au travers de l'étude des mécanismes de génération et de détection d'ondes acoustiques, ondes présentant la particularité de se propager au sein même de ces milieux constitués d'interfaces enterrées, il est maintenant possible d'extraire de multiples informations de ces systèmes lamellaires. Citons pour exemple la mise en évidence de modes de vibration localisés de très haute fréquence, la mise en évidence d'effet d'alliage au niveau des interfaces.
La spécificité de l'acoustique picoseconde, qui en a fait un outil performant dans la thématique des nanosciences, réside dans le fait que la création et la détection des ondes acoustiques est assistée par l'absorption d'impulsions lumineuses très brèves de l'ordre de 100fs. Sous ces conditions, la génération d'ondes acoustiques, présentant un contenu fréquentiel allant jusqu'à plusieurs centaines de GHz, est rendue possible, le corollaire étant que leur longueur d'onde n'est que de quelle que dizaine de nanomètre, dimension au coeur de la problématique des nanosciences ! Par conséquent, ces ondes sont susceptibles de sonder la matière à de telles échelles.
Dans un tel schéma optique d'excitation, il est possible de générer des ondes longitudinales, qui vont se propager perpendiculairement à la surface, mais également des ondes transverses.
En combinant l'aspect temporel et l'aspect cartographie, nous pouvons observer, au travers d'animations, comment une onde de surface, dont le contenu fréquentiel peut être ajusté, interagi avec une microstructure placée sur son chemin. Il a été montré que suivant la taille de la microstructure, cette dernière pouvait être excitée sur un de ces modes propres, et ensuite jouer le rôle de source acoustique dont les propriétés sont alors uniquement liées à ses caractéristiques intrinsèques et non plus à l'onde de surface d'origine.
D'un point de vue plus prospectif, nous envisageons d'utiliser le fait que les ondes acoustiques mise en jeu pénètrent profondément dans la matière et que de surcroît elles possèdent des longueurs d'ondes nanométriques, afin de réaliser une cartographie acoustique à l'échelle du nanomètre de structures enterrées. L'étude des interactions entre l'environnement et la nanostructure sera l'une des problématiques fondamentales qui pourra ainsi être pleinement abordée. Thématiques difficilement accessibles par des techniques de surface telles que les microscopie de proximité.
Etudier le monde de l'infiniment petit est passionnant mais très difficile parce que justement, il est infiniment petit. On ne le voit pas tout simplement, ni à l'oeil nu, ni dans le microscope optique. Pour observer des objets de taille nanométrique les chercheurs ont développé des microscopies nouvelles utilisant les électrons. L'une de ces techniques, la microscopie tunnel à balayage (on l'appelle aussi STM, pour Scanning Tunneling Microscopy en anglais) permet d'observer des atomes, des molécules ou des nano-îlots individuels en surfaces des matériaux et, en plus, d'étudier leurs propriétés nouvelles et même, de les modifier. Souvent les nano-objets qui intéressent les chercheurs n'existent pas dans la nature, rien n'est parfait. C'est pour cela que l'on les fabrique dans les chambres de croissance sous ultra vide, sinon ces objets fragiles se désintègreraient immédiatement à l'air ! - et on les étudie ensuite par un STM se trouvant, lui aussi, dans la même chambre.
Le microscope à effet tunnel (STM) est un outil indispensable pour l'étude des surfaces à l'échelle du nanomètre.
Grâce au courant tunnel qui passe entre une pointe métallique, atomiquement fine, et l'échantillon, ainsi que le balayage de la pointe par un dispositif piézoélectrique, on peut accéder aux images de la surface à l'échelle de l'atome. Le STM est aujourd'hui utilisé dans les laboratoires de recherche dans des conditions diverses : en ultra-vide, à basse température et même en milieu aqueux.
A l'Institut des nanosciences de Paris, les étudiants du Master Sciences des matériaux et nano-objets, et d'autres étudiants de haut niveau à l'Université Pierre et Marie Curie Paris 6, suivent des travaux pratiques avec un dispositif STM.
Ces TP viennent en complément des cours théoriques sur la physique du solide et la physique des surfaces. Les étudiants se confrontent, probablement pour la première fois, au paysage atomique du graphite et le diséléniure de niobium, des surfaces stables à l'air, et y observent les marches, les défauts et les lacunes présentes. Ils doivent reconnaître les symétries observées puis mesurer la distance entre les rangées atomiques, les dimensions des marches ou des défauts. Tout ceci implique une maîtrise des paramètres du dispositif, mais aussi les principes sous-jacents...
Source Canal-U - Université Paris 7 Denis Diderot : Au coeur des nanosciences - 2006
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