IBM franchit une nouvelle étape : première imagerie atomique en phase liquide de matériaux 2D à température ambiante

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Peter Nirmalraj étudie les propriétés de matériaux 2D en couches à l'aide d'une sonde STM métallique fonctionnalisée C₆₀ dans les laboratoires sans bruit au centre de nanotechnologie Binnig et Rohrer. (Source : Marcel Begert, IBM Research–Zurich)

Plus de 35 ans après que les lauréats du Nobel Gerd Binnig et Heinrich Rohrer ont inventé le microscope à effet tunnel, les scientifiques d'IBM à Zurich ont atteint une autre étape dans l'imagerie atome par atome — cette fois dans des environnements liquides.

En partenariat avec des chercheurs de l'Université de Limerick, de l'École polytechnique fédérale de Lausanne et de l'Université du Massachusetts–Amherst, les membres de l'équipe IBM Peter Nirmalraj, Bernd Gotsmann et Heike Riel ont conçu et démontré une sonde STM moléculaire robuste qui fonctionne à température ambiante dans le liquide, permettant l'analyse de matériaux bidimensionnels émergents.

Cela représente la première utilisation réussie d'une sonde STM moléculaire avec une résolution à l'échelle de l'angström dans un milieu liquide sous conditions de laboratoire standard, une prouesse précédemment limitée aux environnements ultra-haute-vide (UHV) ou cryogéniques.

Les résultats sont détaillés dans l'article « A robust molecular probe for Ångström‑scale analytics in liquids », publié aujourd'hui dans Nature Communications.

J'ai parlé avec Peter, spécialiste en science des surfaces moléculaires et microscopie à sonde de balayage en phase liquide, pour en savoir plus sur cette percée.

Quel élément de la conception de la sonde a permis la haute résolution que vous avez atteinte dans votre article ?

Peter Nirmalraj : Nous sommes passés d'une sonde STM en or non fonctionnalisée à une terminaison chimique de l'extrémité avec une seule molécule de C₆₀. Cela réduit la réactivité de l'apex et enrichit l'information spatiale obtenue du matériau. Atteindre un tel contrôle au niveau atomique dans le liquide à température ambiante était un défi significatif.

Qu'est-ce qui est particulier à l'imagerie sous conditions de laboratoire standard, par rapport aux conditions UHV et cryogéniques habituelles ?

PN : La difficulté centrale réside dans le maintien de la stabilité de la molécule unique au sommet de l'extrémité. Imaginez une montagne inversée coiffée d'une cerise — cette échelle capture la sensibilité requise. Alors que les conditions cryogéniques suppriment les fluctuations, à température ambiante la molécule reste énergétiquement et dynamiquement active, menant à l'instabilité. Notre travail démontre qu'une sonde délicate peut être stabilisée dans des liquides à haute densité qui amortissent le mouvement de la molécule ancrée.

De gauche à droite : sonde STM or terminée par fullerène ; hexagone atomique unique de graphène monocouche mettant en évidence les sites de réseau de carbone ; structure atomique de disulfure de molybdène 2D avec espèces analysables sélectivement.

Lorsque le Forum économique mondial a nommé les matériaux 2D parmi les 10 technologies émergentes de 2016, la capacité de les sonder à résolution atomique dans des environnements réalistes est devenue de plus en plus critique. Une connaissance précise de leur compatibilité ambiante, robustesse environnementale et propriétés électroniques est essentielle pour les fabricants de transistors à couches minces, d'électronique transparente et flexible.

« Notre technique permet un fingerprinting structural et électronique plus rapide et plus fiable d'un corpus croissant de matériaux 2D. »

—Peter Nirmalraj, scientifique IBM Research

En combinant la plus haute résolution atteignable avec des conditions expérimentales difficiles, nous débloquons des informations précieuses qui informent directement l'ingénierie de dispositifs basés sur les matériaux 2D.

Quelles étapes doivent être franchies pour faire progresser l'imagerie aux interfaces liquide-solide ?

PN : La prochaine étape est de résoudre des éléments moléculaires uniques avec une résolution sous-moléculaire. Expérimentalement et théoriquement, nous devons approfondir notre compréhension des mécanismes de couplage entre la molécule ancrée à l'extrémité et le liquide environnant, et évaluer comment l'influence électronique et structurelle de la molécule améliore le contraste spatial.

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À propos de l'auteur : Millian Gehrer est stagiaire d'été à IBM Research – Zurich, où il interviewe les scientifiques pour découvrir leur travail et motivations. À l'automne, il commencera des études d'informatique à l'Université de Princeton.