Nouvelles possibilités pour la microscopie à effet tunnel
Un regard sous la surface : une équipe de chercheurs de l'université de Münster rend visibles des propriétés structurelles et magnétiques cachées
Les scientifiques utilisent la microscopie à effet tunnel pour comprendre comment les propriétés électroniques ou magnétiques d'un matériau sont liées à sa structure à l'échelle atomique. Toutefois, lorsqu'ils utilisent cette technique, ils ne peuvent normalement étudier que la couche atomique la plus élevée d'un matériau. Le professeur Anika Schlenhoff et le chercheur postdoctoral Maciej Bazarnik, de l'Institut de physique de l'université de Münster, ont réussi pour la première fois à utiliser une méthode de mesure modifiée pour obtenir des images des propriétés structurelles et magnétiques qui se trouvent sous la surface. L'équipe a étudié une couche ultramince d'un matériau magnétique (le fer) sous une couche bidimensionnelle de graphène.
À partir de l'image de la surface de l'échantillon, on peut voir deux images microscopiques. L'image du haut montre un contraste entre les positions de l'échantillon avec différentes séquences d'empilement, tandis que l'image du bas montre une carte de la polarisation locale du spin, qui est due à la densité du spin à l'interface enfouie.
© ACS – AG Schlenhoff
Dans la microscopie à effet tunnel classique, les états électroniques à la surface de l'échantillon sont utilisés pour le signal de mesure (le "courant tunnel" qui circule entre la pointe de la sonde et l'échantillon). Dans la variante de mesure résonante utilisée par l'équipe, ce sont les états situés à l 'avant de la surface qui ont été étudiés. Apparemment contradictoires, mais connus depuis un certain temps, ces états spéciaux peuvent être utilisés pour étudier le transfert de charges électroniques aux interfaces enfouies à l'intérieur de l'échantillon. Comme les chercheurs viennent de le montrer, ces états spéciaux peuvent être utilisés pour détecter les propriétés magnétiques locales d'un film de fer recouvert de graphène. La raison physique en est que les états électroniques situés au-dessus de la surface pénètrent sous le graphène dans l'échantillon jusqu'à la couche de fer magnétique et deviennent eux-mêmes magnétiques par interaction avec le fer.
Cela ouvre de nouvelles possibilités d'investigation", explique Anika Schlenhoff. Nous pouvons désormais utiliser le même microscope à effet tunnel pour étudier la couche supérieure d'un système stratifié et une couche interfaciale enfouie en dessous en termes de propriétés structurelles, électroniques et magnétiques. Les deux couches peuvent être analysées avec une résolution spatiale exceptionnellement élevée qui s'étend jusqu'à l'échelle atomique".
L'équipe a également montré que sa méthode pouvait être utilisée pour obtenir des informations sur la position locale des couches les unes par rapport aux autres. Par exemple, la position des atomes de carbone du graphène varie localement par rapport aux atomes de fer sous-jacents en raison des différentes séquences d'empilement. Les différences dans l'empilement vertical ne pouvaient pas être résolues auparavant pour ce système de matériaux en utilisant la microscopie à effet tunnel conventionnelle", explique Maciej Bazarnik. Il s'avère aujourd'hui que les états proches de la surface, utilisés dans la microscopie résonante à effet tunnel, sont sensibles à la séquence d'empilement et permettent donc de visualiser ces différences.
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Publication originale
Maciej Bazarnik, Anika Schlenhoff (2025): Image-Potential States on a 2D Gr–Ferromagnet Hybrid: Enhancing Spin and Stacking Sensing; ACS Nano (online first)
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