Compter les électrons d’un nanocristal

Des physiciens ont mesuré la charge électrique d’un nanocristal et sa répartition grâce à une nouvelle méthode d’holographie électronique.

La quantification des éléments qui composent la matière est un enjeu majeur pour les chimistes et les physiciens. Différentes techniques de microscopie , principalement en champ proche, ont été été développées pour mesurer les charges électriques à l’échelle nanométrique. Elles avaient jusqu’à présent comme inconvénient de nécessiter des conditions expérimentales drastiques ou de donner des informations indirectes à l’origine de nombreux artefacts. Des physiciens du Centre d’Elaboration des Matériaux et d’Etudes Structurales - CEMES de Toulouse, de l’Université de Dresde et de l’Université de Bologne viennent de mettre au point une nouvelle méthode de mesure par microscopie électronique en transmission reposant sur des techniques d’interférométrie extrêmement sensibles aux champs électrostatiques et magnétiques développées. Grâce à cette approche, ils ont mesuré la charge présente dans un nanocristal unique avec une résolution nanométrique et une sensibilité de l’ordre de l’électron. Ce travail est publié dans la revue Physical Review Letters.

Les électrons accélérés dans un microscope électronique en transmission se comportent comme une onde dont la phase est sensible aux champs électromagnétiques dans et au voisinage des objets étudiés. Par des expériences d’interférométrie électronique, il est possible de mesurer le déphasage de cette onde et d’en déduire une cartographie du potentiel électrostatique. L’analyse locale de ce potentiel permet alors de mesurer la distribution de charge avec une résolution nanométrique. Les chercheurs ont utilisé cette approche basée sur le théorème de Gauss pour étudier la charge totale portée par une nanoparticule chargée. Cette analyse interférométrique a permis de mesurer quelques dizaines de charges élémentaires sur des particules d’oxyde de magnésium. Ils ont montré que ces charges étaient distribuées de façon homogène sur les surfaces de ces particules ioniques et provenaient de défauts ou de contaminants. Ces travaux ouvrent des perspectives pour la mesure locale des distributions de charges élémentaires dans de nombreux dispositifs de la micro(nano) électronique (condensateurs, transistors,…), dans des nanoparticules ou encore pour l’étude in situ des processus d’émission de champ.

Source : Institut de physique du CNRS