En 1981, l'invention du Microscope à effet tunnel (STM) et à force atomique (AFM) fabriqué par Gerld Binnig et Heinrich Röhrer au laboratoire d'IBM à Zurich, permet pour la première fois d'observer les atomes et les molécules à l'unité. Un peu plus tard il (le STM) permettra de déplacer les atomes à l'unité et on ne se contentera plus de les observer : les nanotechnologies sont nées.

Ce microscope permet d'étudier à l'air libre les matériaux isolants tels que les molécules biologiques. Il possède une sonde très fine (2 à 3 nm à son extrémité ) placée au contact direct de l'échantillon qui est générallement un atome. Cette pointe suit les dénivellations de la surface où elle est promenée. Son fonctionnement est basé sur la détection des forces inter-atomiques entre la pointe et l'échantillon d'où le nom de microscope à force atomique.



En mode topographique, trois forces s'équilibrent : force de Van der Waals qui est attractive, force Coulombienne qui est répulsive, force exercée par la pointe de type mécanique. L'analyse de ses mouvements verticaux, amplifiés par un ressort très sensible et détectés par un dispositif optique, dessine une carte du relief à l'echelle nanométrique. En appuyant plus fort sur la pointe de l'AFM, il est possible de tracer des sillons de quelques nanomètres de largeur. Ci-dessous on peut apercevoir une représentation de la pointe d'un AFM.

Principe :

Le microscope à effet tunnel rend possible l'analyse des surfaces dans le domaine de la physique des surfaces et dans le domaine de la biologie ( résolution atomique de petites molécules organiques ). Les informations recueillies sont un mélange de la structure électronique et de l'aménagement géométrique des atomes .Le STM utilise un phénomène quantique : l'effet tunnel. La tension appliquée entre la sonde métallique ultra fine (extrémité : 0.2nm) à moins d'un nanomètre d'un matériau conducteur entraîne des sents d'électrons plus ou moins nombreux.

Cet appareil permet de visualiser une surface conductrice en mesurant le courant électrique qui circule entre celle-ci et la pointe extêmement fine (moins d'un nanomètre)du microscope.malgrés l'absence de contact entre les deux , les électrons peuvent en effet passer de l'une à l'autre grâce à un phénomène quantique appelé "effet tunnel".Ainsi,à partir de la position de la pointe dans l'espace et de la valeur du courant (qui dépend de la distance entre les deux éléments), un ordinateur peut déduire la forme exacte de la surface à l'atome prés.

Le microscope à effet tunnel permet également de déplacer les atomes, un par un .En effet, la force entre deux atomes est attractives à longue distance ou répulsive à courte distance.Ainsi, en "poussant" ou "tirant chaque atome, peut-on construire n'importe quel matériau.Mais le processus est partculiérement lent.

Une pointe diélectrique de forme et de nature adaptée capte ou émet de la lumière à une distance de quelques millièmes de micromètre de la surface de l'objet à étudier. Le champ électromagnétique possédant une structure très particulière, le mélange d'ondes capables de se propager et d'ondes confinées sur la surface (contenant l'information sur la structure fine de l'objet) a donné aux microscopes l'appellation de tunnel optique en raison de la nature évanescente des ondes (similitude avec le STM qui détecte des électrons "évanescents").