Microscopie à force atomique (AFM)

La microscopie à force atomique (AFM : « atomic force microscopy ») a été introduite en 1986 par G. Binnig, C.F. Quate et C. Gerber [1], comme une application du concept de microscope à effet tunnel (STM : « scanning tunneling microscope ») Microscopies optiques à balayage permettant l’étude de surfaces de matériaux isolants à l’échelle atomique. En combinant les principes du microscope à effet tunnel et du stylet profilométrique, les auteurs démontraient la possibilité d’imager, à l’air libre, la surface d’échantillons conducteurs ou non, avec une résolution latérale de 30 Å et une résolution verticale inférieure à 1 Å. La technique a, depuis lors, été adaptée à différents environnements tels que le vide, le milieu liquide, les basses températures, les champs magnétiques et aussi pour des applications en chimie ou en biologie.

L’ AFM est basée sur la mesure des forces entre un fin stylet et la surface étudiée. Le capteur de force est un ressort-lame (stylet) encastré à une extrémité et muni d’une pointe à l’autre extrémité, il est encore appelé « cantilever ». Les forces d’interaction modifient la déflection ou la torsion statique ou oscillante du stylet. La mesure des déformations du « cantilever » dans les microscopes de force actuels s’effectue, le plus souvent, grâce à la déviation d’un faisceau lumineux (« diode laser ») réfléchi par l’extrémité du stylet, méthode proposée dès 1988 par G. Meyer et N. Amer [2].

Le développement de cette méthode de sonde locale a été rapide aussi bien dans les laboratoires universitaires qu’en milieu industriel. Des tâches de contrôle sur des lignes de production sont couramment effectuées à l’aide de ce dispositif relativement simple à mettre en œuvre. La majorité des utilisateurs cherche à obtenir des formes ou des tailles caractéristiques de la surface ; en balayant l’échantillon sous le « cantilever », on obtient l’image AFM recherchée. Mais on s’est très vite aperçu qu’il était possible avec le même instrument de proposer des situations originales de « physique au nanomètre ».

Dans une première partie, l’instrumentation est décrite et les différents modes de fonctionnement (contact, résonnant, « tapping », frottement...) sont présentés de façon générale. En insistant sur les potentialités de l’instrument, on explicite les fondements des principales méthodes utilisées, sans être exhaustif. Dans une seconde partie, des applications physiques dans divers domaines sont présentées.