Microscopie à sonde locale

L’apparition en 1982 du microscope à effet tunnel a constitué une révolution dans le domaine des microscopies en introduisant le concept de microscopie de champ proche qui est à la base des microscopes à sonde locale. Différentes dans leur principe des microscopies traditionnelles, les micro-scopies à sonde locale (ou de champ proche) se développent en effet à partir des avancées scientifiques et techniques de la microscopie à effet tunnel. Utilisant toutes le balayage d’une pointe-sonde à proximité d’un échantillon, elles fournissent des images qui sont des cartographies à très haute résolution de propriétés spécifiques de la surface de l’échantillon selon le type de sonde utilisée. Diverses propriétés (structurales, électroniques, chimiques, optiques…) et leurs variations locales à l’échelle nanométrique ou subnanométrique peuvent être ainsi imagées et étudiées. Grâce à leur grand pouvoir de résolution, les microscopies à sonde locale apportent un nouvel éclairage et sont complémentaires des microscopies classiques pour étudier la matière jusqu’à l’échelle atomique.

Dans les années 2020, après plusieurs décennies de développement, de nombreux laboratoires de recherche et de l’industrie utilisent ces instruments d’observation et d’analyse. Ils permettent d’étudier les propriétés locales de surfaces (ou d’interfaces) dans des conditions très variées selon les applications : ultravide pour la physicochimie des surfaces, milieu liquide pour la biologie et l’électrochimie, atmosphère contrôlée pour toutes sortes de matériaux et pour la métrologie. Le tableau 1 liste de façon non exhaustive les microscopes à champ proche qui permettent d’accéder à des propriétés locales caractéristiques d’un échantillon.

Ces instruments de caractérisation de surface ont d’abord été détournés pour devenir des outils de gravure à l’échelle nanométrique (manipulation d’atomes de surface, fabrication de structures de taille nanométrique, gravure de motifs). Actuellement, pour des applications en biotechnologie et nanofluidique, certains microscopes ont la capacité de déposer localement des atolitres (10^–18 litre) de fluide pouvant contenir des objets.

Il existe une abondante littérature et de nombreux ouvrages de revue sur les microscopies à sonde locale. Dans cet article, nous dégagerons seulement les principales caractéristiques de ces instruments et illustrerons les nombreux champs d’application dans différents domaines de la physique, de la biologie, de la métrologie et des nanotechnologies. Après la description du principe général d’un microscope à sonde locale et de son fonctionnement, nous nous attacherons à étudier de façon plus détaillée les premiers microscopes. Pour chaque instrument nous montrerons les impacts en recherche fondamentale (physique, chimie et biologie), métrologie et technologie. Nous traiterons ainsi de la microscopie par effet tunnel et de ses applications. Le microscope à force atomique, plus versatile et plus universel, a fait l’objet de nombreux développements et nous consacrerons un grand paragraphe aux modes historiques et plus récents. Un dernier paragraphe portera sur la microscopie de champ proche optique et ses applications. Les problèmes généraux de l’instrumentation communs à ces microscopes seront traités à la fin de l’article.