Microscope électronique : Observer les atomes et jouer avec eux

L’exis­tence des atomes a été le ter­rain d’une bataille achar­née et féroce longue de plus de deux mil­lé­naires. D’abord écra­sée par le poids des phi­lo­so­phies d’Aristote et de Pla­ton – ubi major, minor ces­sat¹ – puis com­bat­tue par l’Église catho­lique, la phi­lo­so­phie ato­miste a failli dis­pa­raître à tout jamais.

Les atomes : une quête millénaire

Mais, comme l’histoire est sou­vent faite de coïn­ci­dences et de retours, l’essor de l’humanisme et la redé­cou­verte en 1417 par l’Italien Gian Fran­ces­co Pog­gio Brac­cio­li­ni du seul manus­crit encore exis­tant du De rerum natu­ra de Lucrèce ont per­mis aux phi­lo­so­phies ato­mistes de sor­tir de l’oubli et d’essaimer par­mi les élites intel­lec­tuelles des graines qui finirent par impré­gner toute la socié­té savante.

À ce pro­pos, le best-sel­ler Quat­tro­cen­to de Ste­phen Green­blatt retrace avec élé­gance et éru­di­tion ce moment char­nière de l’historique de la pen­sée humaine.

Cepen­dant, muta­tis mutan­dis, la bataille des esprits était loin d’être ter­mi­née. Au cours des siècles sui­vants, les phi­lo­sophes et les scien­ti­fiques se scin­dèrent en deux camps : si d’un côté Gali­lée, Gas­sen­di, Boyle ou New­ton mais aus­si Marx, Engels et Nietzsche com­men­cèrent par admettre l’existence de petites par­ti­cules de matière dans la nature, une farouche oppo­si­tion se leva de la part d’autres émi­nents scien­ti­fiques tels que Ber­the­lot ou Mach ou des phi­lo­sophes tels que Comte, Scho­pen­hauer, Hegel et Kant.

“ Planck resta longtemps réticent à l’égard de la théorie atomique ”

La cri­tique était tel­le­ment viru­lente que Boltz­mann, le père de la phy­sique sta­tis­tique, se don­na la mort, et Planck, le père de la théo­rie quan­tique cor­pus­cu­laire, res­ta long­temps réti­cent à l’égard de la théo­rie atomique.

Il fal­lut attendre 1913 et la publi­ca­tion du livre Les Atomes par Jean Per­rin pour que la chi­mère des anciens phi­lo­sophes devienne réa­li­té et l’existence de l’atome soit accep­tée par la com­mu­nau­té scientifique.

L’intuition des philosophes devient réalité

Jusqu’à la seconde moi­tié du XIX^e siècle, la science avait pour objet d’étudier les phé­no­mènes direc­te­ment per­cep­tibles par les sens. Comme on vient de le voir, ce para­digme chan­gea à par­tir du XX^e siècle.

Mar­cel­lin Ber­the­lot s’opposa à la théo­rie atomique.

Néan­moins, obser­ver les atomes posait un pro­blème de taille ; cent mille fois plus petits d’un che­veu, ils ne sont pas visibles par un micro­scope optique dont la réso­lu­tion est limi­tée par les lois de la dif­frac­tion, c’est-à-dire quelques cen­taines de nano­mètres (10^-9 m). Cepen­dant, à par­tir des années 1920, grâce aux intui­tions de Louis de Bro­glie sur la dua­li­té onde-cor­pus­cule et aux éla­bo­ra­tions de Bush sur la pos­si­bi­li­té de contrô­ler les tra­jec­toires des élec­trons avec des champs magné­tiques ou élec­tro­sta­tiques, les portes de Canaan com­men­cèrent à s’ouvrir.

Le dépas­se­ment de la réso­lu­tion optique pas­sait par le rem­pla­ce­ment de la lumière par des élec­trons et des len­tilles en verre par des len­tilles élec­tro­ma­gné­tiques. Dès lors, la réso­lu­tion espé­rée (théo­rique) pou­vait être bien infé­rieure à l’ångström (10^-10 m). La mise en oeuvre de cette idée est due au génie de Rus­ka et Knoll et marque la nais­sance de la micro­sco­pie électronique.

Bien que les pre­miers gros­sis­se­ments aient été seule­ment de 40 x, le micro­scope élec­tro­nique était né. Néan­moins, il fal­lut attendre 1956, et un cer­tain nombre de déve­lop­pe­ments ins­tru­men­taux, pour que les atomes puissent être fina­le­ment ima­gés.

Descendre en résolution

Depuis les pre­mières loupes de Gali­lée jusqu’à leurs suc­ces­seurs élec­tro­niques, des­cendre en réso­lu­tion sous les limites connues a été, à l’évidence, la clé pour faire pro­gres­ser les sciences, de la phy­sique à la médecine.

En par­ti­cu­lier, un tour­nant a eu lieu dans les années 1990 avec l’apparition de cor­rec­teurs d’aberration pour les len­tilles élec­tro­ma­gné­tiques. Cette avan­cée majeure est à l’origine de la micro­sco­pie moderne.

En fait, l’essor des nano­tech­no­lo­gies et les besoins crois­sants en carac­té­ri­sa­tions struc­tu­rales et chi­miques à l’échelle nano­mé­trique ont impo­sé au cours des der­nières années la néces­si­té d’outils d’analyse phy­si­co­chi­mique asso­ciant une très grande sen­si­bi­li­té et une réso­lu­tion spa­tiale atomique.

De l’observation de ce qui est petit au nano-laboratoire

L’étymologie du mot micro­scope signi­fie « qui per­met d’observer ce qui est petit ». Néan­moins, en quelques décen­nies, le micro­scope élec­tro­nique s’est trans­for­mé de simple machine à obser­ver en véri­table nano-laboratoire.

“ Il fallut attendre 1956 pour que les atomes puissent être imagés ”

Le micro­scope élec­tro­nique est deve­nu davan­tage un envi­ron­ne­ment de tra­vail, de mesure et d’analyse dans lequel le déve­lop­pe­ment ins­tru­men­tal est pous­sé vers ses der­niers retranchements.

Une liste lar­ge­ment non exhaus­tive com­prend, entre autres, la pos­si­bi­li­té de car­to­gra­phier au sein de la matière la posi­tion des atomes qui la consti­tuent avec une réso­lu­tion de l’ordre du rayon ato­mique (0,5 Å ou 5 x 10^-11 m), de déter­mi­ner la nature de leurs liai­sons chi­miques, de recons­truire la mor­pho­lo­gie des nano-objets en trois dimen­sions, de mesu­rer la charge élec­trique et sa dis­tri­bu­tion spa­tiale, de mesu­rer les contraintes ou encore de faire des car­to­gra­phies magné­tiques à l’échelle nanométrique.

Sur les épaules des géants : un regard vers l’avenir

“ Le nouvel Eldorado est devenu la microscopie électronique in situ ”

Nous emprun­tons cette méta­phore à Ber­nard de Chartres, maître du XII^e siècle, pour sou­li­gner qu’en recherche chaque acquis n’est rien d’autre que le point de départ pour d’autres recherches : cela per­met de repous­ser constam­ment les limites de la connaissance.

D’autre part, la sagesse popu­laire déclare habi­tuel­le­ment que voir c’est croire. Quoi de mieux alors que de pou­voir obser­ver avec une réso­lu­tion spa­tiale, tem­po­relle et éner­gé­tique ultime et en temps réel l’évolution de la mor­pho­lo­gique d’un nano-objet ou de ses pro­prié­tés phy­si­co­chi­miques à l’endroit où le phé­no­mène se déroule (sans pré­le­ver ni dépla­cer l’échantillon) ? Cela don­ne­rait la pos­si­bi­li­té de com­prendre le com­por­te­ment dyna­mique des matériaux.

Pour cette rai­son, le nou­vel Eldo­ra­do est deve­nu la micro­sco­pie élec­tro­nique in situ.

Les nou­veaux déve­lop­pe­ments ins­tru­men­taux per­mettent désor­mais d’étudier la crois­sance des nano-objets en phase vapeur, de faire de la micro­sco­pie en milieu liquide, de cou­pler la micro­sco­pie élec­tro­nique et optique (cor­ré­la­tive), de déve­lop­per de nou­velles spec­tro­sco­pies com­bi­nant pho­tons et élec­trons, de faire des irra­dia­tions ioniques dans un micro­scope tout en regar­dant l’évolution des défauts d’irradiation…

C’est le voyage au pays d’Alice.

La microscopie électronique à l’X

“ Tempos a pour ambition d’accélérer l’émergence d’applications réelles ”

Dans l’environnement en pleine effer­ves­cence de la nou­velle uni­ver­si­té Paris- Saclay est né le pro­jet de Centre inter­dis­ci­pli­naire de micro­sco­pie élec­tro­nique de l’École poly­tech­nique, le Cimex. Créé en 2010, le Cimex a pour objec­tif de déve­lop­per l’enseignement de la micro­sco­pie élec­tro­nique aus­si bien dans le cadre des mas­ters 2 en nanos­ciences et en bio­lo­gie que dans celui des Modals (uni­té d’enseignement pra­tique et théorique).

Contrai­re­ment aux tra­vaux pra­tiques tra­di­tion­nels dont le but est de vali­der la théo­rie ensei­gnée préa­la­ble­ment en cours, le Modal adopte une démarche ins­pi­rée de la recherche qui consiste d’abord à appri­voi­ser un phé­no­mène expé­ri­men­tal et à ensuite cher­cher une expli­ca­tion théorique.

Créer un centre de classe mondiale

Le micro­scope Nano­MAX per­met de voir les nano­struc­tures se for­mer atome par atome (www.fei.com).

Par ailleurs, le Cimex est for­te­ment impli­qué dans le pro­jet d’équipement d’avenir Equi­pEx Tem­pos (Trans­mis­sion Elec­tron Micro­sco­py at Palai­seau Orsay Saclay). En s’inscrivant dans le pro­jet de créa­tion de la nou­velle uni­ver­si­té Paris-Saclay, Tem­pos est né de la volon­té de l’École poly­tech­nique , asso­ciée à l’université Paris-Sud (orga­nisme por­teur), au CNRS et au CEA, de créer un centre de classe mon­diale en micro­sco­pie élec­tro­nique en transmission.

En visant une com­pré­hen­sion lar­ge­ment amé­lio­rée des méca­nismes de crois­sance et des pro­prié­tés optiques et élec­tro­niques des nanoob­jets, Tem­pos a pour ambi­tion d’accélérer l’émergence d’applications réelles.

Un tel trans­fert de connais­sances et de tech­no­lo­gie sera favo­ri­sé par la pré­sence de labo­ra­toires pri­vés indus­triels (Thales RT, Saint-Gobain Recherche, Total) ou d’unités mixtes (Thales-CNRS, Saint- Gobain CNRS SVI).

S’insérant dans le tri­angle de la science des maté­riaux (crois­sance-carac­té­ri­sa­tion-pro­prié­tés), le pro­jet Tem­pos s’articule selon trois axes : l’étude in situ de la crois­sance de nano-objets à l’échelle ato­mique (pro­jet Nano­MAX), l’étude in situ des pro­prié­tés optiques et spec­tro­sco­piques des nano-objets à l’échelle sub­na­no­mé­trique (Chro­ma­TEM), et enfin la carac­té­ri­sa­tion cris­tal­lo­chi­mique des nano-objets à l’échelle ato­mique (Nano­TEM).

Atome par atome

L’École poly­tech­nique pilote et héberge le pro­jet Nano­MAX, dont la grande ori­gi­na­li­té réside dans le fait d’apporter, sous le fais­ceau élec­tro­nique, la matière à l’échantillon atome par atome, d’une manière très contrô­lée : par des fais­ceaux molé­cu­laires (épi­taxie par jets molé­cu­laires – MBE) ou par des fais­ceaux de radi­caux gazeux (dépôt chi­mique en phase vapeur – CVD – assisté).

Ces deux spé­ci­fi­ci­tés sont uniques au monde. Les études dans les­quelles s’insère Nano­MAX ont pour objec­tif de décou­vrir et déve­lop­per de nou­veaux objets fonc­tion­nels, pou­vant ser­vir dans des macro­dis­po­si­tifs (par exemple des cathodes à effet de champ pour émet­teurs de puis­sance, ou des cel­lules pho­to­vol­taïques inté­grant des nano­ma­té­riaux) ou bien pour déve­lop­per des nano­dis­po­si­tifs tels que cap­teurs chi­miques et bio­lo­giques, nano­tran­sis­tors ou nanolasers.

Nano­MAX pos­sède notam­ment une arti­cu­la­tion avec un autre pro­jet Equi­pEx, le pro­jet Sense-City qui vise à équi­per la ville du futur d’un ensemble de cap­teurs de tous types per­met­tant de suivre en temps réel un ensemble de para­mètres allant du taux de fré­quen­ta­tion de sites, à l’évolution de la pol­lu­tion jusqu’au vieillis­se­ment du béton.

La micro­sco­pie élec­tro­nique a de beaux jours devant elle – et les micro­sco­pistes aussi.

_______________________________________
L’auteur tient à remer­cier Odile Sté­phan, res­pon­sable de l’équipe X‑Tempos, Jean-Luc Mau­rice, res­pon­sable du pro­jet Nano­MaX, ain­si que ses col­lègues Pierre-Eugène Cou­lon et Mathias Kobylko.
1. Le faible capi­tule devant le fort.
2. Il y a beau­coup de place en bas.

---

Articles similaires :

Les lasers à cas­cade quan­tique et le groupe de Capasso La spin­tro­nique dans les cap­teurs spa­ciaux et dans les lasers À quand des NEMS dans nos smartphones ? Nano­ma­té­riaux pour la conver­sion et le sto­ckage de l’énergie Des atomes aux dis­po­si­tifs quantiques