Le microscope ionique à effet de champ (ou Field Ion Microscopie, FIM en anglais) a été développé par E.W. Müller en 1951, et repose sur l’émission par effet de champ d’un gaz « image » à la surface d’un échantillon. Un champ électrique intense est créé par effet de pointe à l’extrémité d’un matériau. L’échantillon est préparé sous la forme d’une aiguille très fine dont l’extrémité a un rayon de courbure nanométrique (10-100 nm). En appliquant un potentiel électrique de quelques kilovolts à la pointe, un champ de plusieurs milliards de volt par mètre est généré à la surface, suffisant pour transformer les atomes de gaz placés dans l’enceinte en ions (ionisation par effet de champ). Ces ions sont projetés vers un écran amplificateur, et forment une image agrandie de la surface de l’échantillon.

 

 

Cette technique donne une image de la position des atomes sur la surface sphérique de la pointe. Ceci permet d’accéder à l’ensemble des directions cristallographiques (les différents types d’empilement de plans atomiques) sur une seule image dans l’espace réel. En augmentant légèrement le potentiel appliqué, on peut délicatement éroder la matière et donc explorer un peu plus la profondeur. Cela permet alors de mettre à jour les défauts dans le matériau (atomes en plus ou en moins, fautes d’empilement, dislocations, …).

 

Image ionique de l’extrémité d’une pointe d’or. Les cercles concentriques sont l’intersection des plans atomiques avec la surface hémisphérique de l’échantillon. Chaque famille de plans ou direction cristallographique peut être indexée (en insert)

 

 

 

Le microscope ionique à effet de champ inventé dans les années cinquante par Erwin Müller fut le premier instrument capable de voir la surface d’un matériau à l’échelle atomique. La première image résolue à l’échelle de l’atome a ainsi été obtenue en 1956, bien avant l’invention du microscope à effet tunnel (STM) au début des années 80, qui permet de visualiser les atomes « un par un » et qui a valu à ses inventeurs Rohrer et Binnig d’obtenir le prix Nobel de physique en 1986.