Fig. 6-1 Spectre d'émission du mercure (Hg) dans le domaine visible, obtenu avec une lampe à vapeurs de mercure
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Les atomes sont trop petits pour être vus ou touchés. Par contre, on peut les bombarder avec des rayonnements. Les atomes vont absorber les rayonnements, et en retour émettre leurs propres rayonnements (c'est la fluorescence). On peut aussi faire émettre des rayonnements par des décharges électriques dans un gaz (lampes à décharge).
Fig. 6-1 Spectre d'émission du mercure (Hg) dans le domaine visible,
obtenu avec une lampe à vapeurs de mercure
Fig. 6-2 Spectre d'émission du mercure (Hg) dans le domaine des rayons X,
obtenu par fluorescence
Un type d'atome ne va absorber que les rayonnements d'une certaine énergie. Ainsi, en regardant les énergies des rayonnements absorbés (que l'on appelle «spectre d'absorption caractéristique»), on va savoir quelles quantités d'énergie l'atome est capable d'absorber. C'est ce que l'on appelle la «spectroscopie d'absorption».
De même, en regardant les énergies des rayonnements fluorescents (que l'on appelle «spectre d'émission caractéristique»), on va savoir quelle quantité d'énergie l'atome est capable de réémettre. C'est ce que l'on appelle la «spectroscopie de fluorescence».
On arrive ainsi à connaître l'énergie des électrons. Si les électrons participent à une liaison chimique ou métallique, on va voir une différence dans les spectres selon la molécule dans laquelle est inclus l'atome ; le spectre est caractéristique de la liaison chimique. Si au contraire ce sont des électrons ne participant pas à la liaison (électrons dits "de coeur"), alors le spectre ne dépend que de la nature de l'atome, pas des liaisons.
On fait de la spectrométrie d'absorption et de fluorescence avec les rayonnements électromagnétiques infrarouges, visibles, ultraviolets et X. On peut aussi utiliser des particules, comme les électrons ou les ions.
Avec les méthodes de spectroscopie, on a donc accès aux énergies mise en oeuvre dans l'atome et dans les liaisons.
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À défaut de pouvoir localiser les atomes un par un, on peut connaître leur organisation par les méthodes de diffraction. En effet, si les atomes sont positionnés de manière régulière, comme dans les cristaux (métaux, roches...), on va pouvoir créer des interférences entre les ondes émises par ces atomes.
Pour les faire émettre des ondes, on les excite, par exemple avec des rayons X, des neutrons, des électrons...
Les méthodes de diffraction permettent d'avoir des informations statistiques (puisqu'elles sont construites par un grand nombre d'atomes) sur l'organisation spatiale de ces atomes.
Fig. 6-3 Diffraction de rayons X sur un monocristal,
cliché de Laue (Université de Jussieu)
- on peut déduire l'organisation des atomes
d'après l'organisation des taches de diffraction
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Les deux familles de méthodes présentées ci-dessus donnent des information globales sur les atomes. Depuis les années 1970/1980 sont apparues des méthodes permettant de reconstituer des images montrant les positions individuelles des atomes.
Si un faisceau d'électrons traverse une lame mince d'un échantillon cristallin, les électrons sont déviés par les atomes, on obtient ainsi une image, les différences de gris indiquant les endroits où le cristal change de propriété vis-à-vis du faisceau d'électrons (atomes différents, ou organisés de manière différente). C'est le principe de la microscopie électronique en transmission, ou MET (en anglais, TEM pour transmission electronic microscope).
Certains électrons sont déviés (diffractés), d'autre sont transmis en ligne directe. Si l'on fait interférer un faisceau transmis en ligne directe avec un faisceau diffracté, on va obtenir une figure d'interférence. Cette figure d'interférence est une image du potentiel périodique créé par les atomes ; les taches claires correspondent aux positions des atomes.
On peut ainsi visualiser directement l'organisation des atomes, alors que dans le cas d'une figure de diffraction, il faut interpréter cette figure pour avoir l'organisation. On voit donc les défauts : joints de grain, dislocations... Cependant, il ne s'agit pas à proprement parlé d'images d'atomes, mais d'une projection du potentiel créé par ces atomes.
Fig. 6-4 micrographie haute résolution germanium-silicium
(université de Kiel)
Toutefois, l'image pouvant être lue de manière directe, on a l'impression de voir les atomes. On appelle de ce fait cette technique la microscopie électronique en transmission à haute résolution ou MET-HR (en anglais HR-TEM, high resolution TEM)
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Cette technique consiste à faire "exploser" un cristal par un champ électrique, et à observer les impact des ions ainsi créés. Le champ électrique ionise les atomes, puis les arrache au cristal. Si l'on sait où est tombé un ion, on peut reconstituer sa trajectoire, et donc savoir où il était placé dans le cristal. On peut ainsi recomposer le cristal par ordinateur et générer une image.
Fig. 6-5 Microscope à effet de champ :
la position des atomes dans le cristal peut être déduite
des impacts d'ions relevés sur le cliché ci-dessus
Cependant, on ne détecte pas tous les ions, on en perd en route ; ensuite, l'image obtenue est une image de synthèse, une reconstitution par ordinateur. On ne voit pas les atomes, on les représente (en général par une boule) au sein du cristal, d'après la position déduite par l'impact de l'ion.
Il ne faut pas confondre le microscope à effet de champ (en anglais FEM, field emission microscope) avec le miscroscope électronique à effet de champ : dans ce dernier, l'effet de champ ne sert que comme source d'électrons, l'appareil en lui-même est un simple microscope électronique à balayage.
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Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, scanning tunneling microscope) fut inventé en 1981 par des chercheurs d'IBM. Il s'agit, pour simplifier, d'un palpeur, d'une pointe qui suit la surface de l'objet. La pointe balaie (scan) la surface à représenter, un ordinateur enregistre la hauteur de la pointe, on peut ainsi reconstituer la surface.
La résolution de l'appareil est la taille de la pointe. Le problàme des pointes très fines, c'est qu'elles cassent facilement. Il faut donc que la pointe reste au-dessus de la surface sans la toucher, mais qu'elle suive pourtant le relief. On utilise pour cela un effet quantique appelé «effet tunnel» : les électrons libres du métal sortent un peu de la surface, si l'on se met très près sans pour autant la toucher, on peut enregistrer un courant électrique. Si le courant augmente, c'est que la pointe se rapproche de la surface, s'il diminue, c'est qu'elle s'éloigne.
Ainsi, on fait bouger l'échantillon sous la pointe avec un mouvement de balayage (scan), et on ajuste la hauteur de la pointe pour garder un courant constant. Ceci permet de suivre le relief de la matière sans la toucher. En enregistrant la hauteur de la pointe en fonction de la position de l'échantillon, on peut reconstituer le relief par ordinateur.
Fig. 6-6 Principe du microscope à effet tunnel
En prenant une pointe ayant juste un seul atome au bout, on peut réussir, dans les cas idéaux, à avoir une précision de l'ordre de l'atome.
Mais souvenons-nous que l'on a une image de synthèse, pas une "photographie" des atomes.
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