Un microscope à sonde à balayage est l’un des nombreux microscopes qui produisent des images de surface tridimensionnelles très détaillées, y compris à l’échelle atomique. Selon la technique de microscopie utilisée, certains de ces microscopes peuvent également mesurer les propriétés physiques d’un matériau, notamment le courant électrique, la conductivité et les champs magnétiques. Le premier microscope à sonde à balayage, appelé microscope à tunnel à balayage (STM), a été inventé au début des années 1980. Les inventeurs de la STM ont remporté le prix Nobel de physique quelques années plus tard. Depuis, plusieurs autres techniques, fondées sur les mêmes principes de base, ont été inventées.
Toutes les techniques de microscopie à sonde à balayage impliquent un petit balayage pointu de la surface du matériau, car les données sont acquises numériquement à partir du balayage. La pointe de la sonde de balayage doit être plus petite que les caractéristiques de la surface à balayer, afin de produire une image précise. Ces conseils doivent être remplacés tous les quelques jours. Ils sont généralement montés sur des porte-à-faux, et dans de nombreuses techniques SPM, le mouvement du porte-à-faux est mesuré pour déterminer la hauteur de la surface.
En microscopie à tunnel à balayage, un courant électrique est appliqué entre la pointe de balayage et la surface imagée. Ce courant est maintenu constant en ajustant la hauteur de la pointe, générant ainsi une image topographique de la surface. En variante, la hauteur de la pointe peut être maintenue constante pendant que le courant changeant est mesuré pour déterminer la hauteur de la surface. Comme cette méthode utilise du courant électrique, elle n’est applicable qu’aux matériaux qui sont des conducteurs ou des semi-conducteurs.
Plusieurs types de microscopes à sonde à balayage appartiennent à la catégorie de la microscopie à force atomique (AFM). Contrairement à la microscopie à tunnel à balayage, l’AFM peut être utilisé sur tous types de matériaux, quelle que soit leur conductivité. Tous les types d’AFM utilisent une mesure indirecte de la force entre la pointe de balayage et la surface pour produire l’image. Ceci est généralement réalisé par une mesure de la déflexion du porte-à-faux. Les différents types de microscopes à force atomique comprennent l’AFM à contact, l’AFM sans contact et l’AFM à contact intermittent. Plusieurs considérations déterminent quel type de microscopie à force atomique convient le mieux à une application particulière, notamment la sensibilité du matériau et la taille de l’échantillon à analyser.
Il existe quelques variantes des types de base de la microscopie à force atomique. La microscopie à force latérale (LFM) mesure la force de torsion sur la pointe de balayage, ce qui est utile pour cartographier le frottement de surface. La microscopie à capacité de balayage est utilisée pour mesurer la capacité de l’échantillon tout en produisant simultanément une image topographique AFM. Les microscopes à force atomique conductrice (C-AFM) utilisent une pointe conductrice comme le fait STM, produisant ainsi une image topographique AFM et une carte du courant électrique. La microscopie à modulation de force (FMM) est utilisée pour mesurer les propriétés élastiques d’un matériau.
D’autres techniques de microscope à sonde à balayage existent également pour mesurer des propriétés autres que la surface tridimensionnelle. Les microscopes à force électrostatique (EFM) sont utilisés pour mesurer la charge électrique sur une surface. Ceux-ci sont parfois utilisés pour tester les puces de microprocesseur. La microscopie thermique à balayage (SThM) recueille des données sur la conductivité thermique ainsi que la cartographie de la topographie de la surface. Les microscopes à force magnétique (MFM) mesurent le champ magnétique à la surface ainsi que la topographie.