Visualisation du monde nano : passage du 2D au 2D+t

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La conférence annuelle de "l’American Association for the Advancement of Science" (AAAS), la plus grande conférence scientifique généraliste au monde, s’est déroulée à Boston, MA, du 13 au 18 février dernier [1-3]. Cette conférence permet d’obtenir un aperçu des derniers avancements dans la recherche ainsi que des tendances des politiques scientifiques et universitaires aux Etats-Unis. Cette conférence est également un lieu où des échanges interdisciplinaires peuvent avoir lieu ainsi que des discussions d’éthiques en rapport avec la société ou à la vue des derniers avancements scientifiques. Nous présentons ici un résumé de la session "Regarder les atomes bouger" [4] qui résume les derniers avancements dans le domaine de la microscopie électronique à transmission. Initialement réservée aux matériaux inorganiques, cette technique est de plus en plus utilisée dans le cadre de l’étude de matériaux organiques ou biologiques.

Au cours de la dernière décennie, les améliorations instrumentales dans le domaine de la microscopie électronique à transmission ont été spectaculaires tant au niveau de la source d’électrons que du système de lentilles électromagnétiques ou des détecteurs. Ces progrès ont permis d’atteindre des résolutions spatiales subatomiques inférieures à 0,5 Angströms pour des grandissements de plus de 50 millions et ainsi d’observer les atomes, même les plus légers, individuellement dans leur réseau cristallin. Le développement de ces instruments est indispensable à la recherche et au développement en nanotechnologies dans de nombreux domaines, y compris dans la catalyse hétérogène et dans les dispositifs semi-conducteurs pour l’électronique et la photonique.

Durant la conférence AAAS, le Dr. Stephen J. Pennycook du Laboratoire National d’Oak Ridge [5] a présenté les derniers progrès scientifiques obtenus par son laboratoire [6]. Notamment, la combinaison de l’imagerie très haute résolution avec une technique de spectroscopie (EELS) a permis la détermination directe de la liaison chimique d’une impureté isolée sur un feuillet de graphène [7]. D’autre part, l’utilisation de détecteurs ultrarapides dans un microscope électronique à balayage en transmission a permis l’observation du déplacement d’un groupe de Si6 sur du graphène monocouche. La vidéo résultante de cette observation révèle les configurations métastables du Si6 silicium et des calculs fonctionnels de densité révèlent le paysage énergétique. Ces résultats suggèrent ainsi une nouvelle façon d’explorer la dynamique à l’échelle atomique. Toutefois l’utilisation de cette technique a ses limitations et l’observation directe de phénomènes transitoires, réaction chimique, déformation structurale ou transformation de phase, est difficile. Afin de résoudre cette problématique, des microscopes électroniques spécifiques ont été développés : les microscopes électroniques à transmission dynamique (DTEM).


Structures atomique et électronique d’une impureté de Si liée à trois ou quatre atomes de carbone dans du graphène obtenues par imagerie de contraste en numéro atomique et spectroscopie de perte d’énergie des électrons (EELS)
Crédits : Photo fournie par le Dr. Stephen J. Pennycook


Afin d’accéder à une combinaison "résolution spatiale-résolution temporelle" de l’ordre du nanomètre et de la nanoseconde, les microscopes standards ont dû être modifiés en remplaçant en particulier la source continue d’électrons en une source pulsée d’électrons (initiée par l’irradiation d’un filament par laser nanoseconde). Cette nouvelle source génère des pulses très courts (<1 msec) avec un flux électronique important (>109 électrons). Le Dr. Nigel Browning du Laboratoire National du Nord-Ouest du Pacifique, WA, [8] a participé à l’élaboration de ce nouvel instrument de caractérisation de la matière et présenté quelques exemples d’études réalisées grâce à un tel instrument [9]. Le DTEM a ainsi permis la visualisation directe de la croissance des nanoparticules de sulfure de plomb à partir de la décomposition sélective d’un précurseur chimique multi-composants. Les mécanismes de croissance qui conditionnent la morphologie finale des nanostructures ont été ainsi observés sous la forme de films, de manière reproductible en temps réel avec une résolution spatiale inférieure au nanomètre [10]. L’exploit de ce travail réside tout autant dans la résolution de l’appareillage que dans le médium dans lequel les cristaux se sont développés ; en effet, l’expérience a été réalisée au sein d’une phase liquide. Cela ouvre un champ important à l’étude des réactions chimiques ou biochimiques en phase liquide ou en phase gazeuse pour lesquelles les aspects transitoires peuvent être importants.

Bien que des technologies pouvant potentiellement étendre la résolution temporelle des DTEMs en dessous de la nanoseconde existent déjà, cette technique assez récente puisque déployée au milieu des années 2000 nécessitera des améliorations techniques notables notamment dans la création, le contrôle et la manipulation de larges faisceaux d’électrons afin de répondre aux défis des nanotechnologies du futur. A notre connaissance, il existe très peu de DTEM dans le monde et aucun en Europe.

Sources :


- [1] Le site internet de l’association AAAS est http://www.aaas.org/
- [2] Le site internet de la conférence annuelle 2013 de l’association AAAS est http://aaas.confex.com/aaas/2013/webprogram/start.html
- [3] Des Bulletins Electroniques ont été écrits sur la conférence et peuvent être trouvé à l’adresse internet suivante : http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/72338.htm et http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/72339.htm.
- [4] Session "Regarder les atomes bouger" : http://aaas.confex.com/aaas/2013/webprogram/Session5510.html
- [5] Le group du Dr. Pennycook se nomme le "STEM group". Pour plus d’information sur le groupe se référer à l’adresse : http://stem.ornl.gov/
- [6] Abstract de la présentation à AAAS : http://aaas.confex.com/aaas/2013/webprogram/Paper8260.html
- [7] O.L. Krivanek et al., Nature, 464, 571-574, 2010.
- [8] La biographie du Dr. Browning peut être trouvée à l’adresse suivante : http://www.pnnl.gov/science/staff/staff_info.asp?staff_num=7730
- [9] Abstract de la présentation à AAAS : http://aaas.confex.com/aaas/2013/webprogram/Paper8262.html
- [10] JE, Evans et al., Nano Letters, 11, 7, 2809-2813, 2011.

Rédacteurs :


- Christian Turquat, attache-phys@ambascience-usa.org ;
- Catherine Marais, deputy-phys@ambascience-usa.org ;
- Retrouvez toutes nos activités sur http://france-science.org.

Voir en ligne : http://www.bulletins-electroniques….