Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
La microscopie à force atomique a connu un développement rapide. La technologie de cette sonde locale, basée sur la mesure des forces entre un fin stylet et la surface étudiée, permet d’imager des surfaces avec une résolution, transversale et verticale, de l’ordre du nanomètre. Sa facilité de mise en œuvre permet même des contrôles sur des lignes de production. Cet article commence par décrire l’instrumentation et les différents modes de fonctionnement de l’AFM. Ensuite, il conduit une brève exploration des applications de la microscopie à force atomique.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Jean-Claude RIVOAL : Professeur émérite à l’université Pierre-et-Marie-Curie - Laboratoire d’optique physique (CNRS UPR A0005)
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Christian FRÉTIGNY : Directeur de recherche CNRS, laboratoire de physico-chimie des polymères et milieux dispersés (CNRS UMR 7615)
INTRODUCTION
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.
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Applications
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1. Instrumentation et modes de fonctionnement
1.1 Microscope
Un schéma typique des microscopes de force est présenté sur la figure 1. Une pointe miniature, fixée à l’extrémité d’un cantilever, est proche de la surface d’un échantillon placé sur une platine de déplacement (balayage XYZ ). Le déplacement relatif de la pointe par rapport à l’échantillon donne soit une cartographie de la grandeur mesurée, soit une surface d’« isograndeur », si une boucle d’asservissement ajuste la hauteur de l’échantillon pour maintenir constante la grandeur mesurée.
le terme anglais cantilever désigne une pointe suspendue en porte à faux.
La déflection ou la torsion du ressort sous l’effet de la force d’interaction est mesurée par la déviation d’un faisceau laser réfléchi par l’extrémité du cantilever et collecté sur une diode photoélectrique segmentée (deux ou quatre cadrans).
Une pointe AFM peut être statique ou mise en mode oscillant. Dans ce dernier cas, on peut faire vibrer le cantilever grâce à une pastille piézo-électrique en contact avec son support. Un exemple particulier de fixation de cantilever est présenté sur la figure 2. Par ailleurs, une cale piézo-électrique permet d’ajuster finement la distance pointe-échantillon et est utilisée pour asservir l’amplitude de vibration du cantilever.
Sensible aux gradients de température, la pointe peut aussi être utilisée comme calorimètre.
Suivant la configuration adoptée, on distingue trois modes de fonctionnement principaux pour l’AFM : statique (continu), dynamique (oscillant) ou thermique. La force d’interaction peut être due aux forces répulsives entre les atomes de la pointe AFM et ceux de la surface, à des forces de Van der Waals à courte portée, à des forces capillaires, au frottement, à des processus magnétiques ou électrostatiques si la pointe est conductrice ou recouverte de matériau magnétique, à des processus catalytiques, etc. Une modification chimique de la pointe AFM permet ainsi de mesurer diverses propriétés de la surface d’un échantillon.
Grâce à une boucle d’asservissement, on peut obtenir des images de « hauteur », qui correspondent à une interaction...
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Instrumentation et modes de fonctionnement
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BINNING (G.), QUATE (C.F.), GERBER (C.) - Atomic force microscope. - Phys. Rev. Lett., 56, 930-933 (1986).
-
(2) - MEYER (G.), AMER (N.) - « Novel approach to atomic force microscopy ». - Appl. Phys. Lett., 53 (24), 2400-2402 (1988).
-
(3) - DUCOURTIEUX (S.) - Microscopie optique en champ proche sans ouverture : développement d’un instrument et application à l’étude des nanostructures. - Thèse de doctorat, université Paris-6 (2001).
-
(4) - AIGOUY (L.), ANDRÉANI (F.X.), BOCCARA (A.C.), RIVOAL (J.-C.), PORTO (J.A.), CARMINATI (R.), GREFFET (J.J.), MÉGY (R.) - Near-field optical spectroscopy using an incoherent light source. - Appl. Phys. Lett., 76, 397-399 (2000).
-
(5) - WONG (S.S.), JOSELEVICH (E.), WOOLEY (A.T.), LI CHEUNG (C.), LIEBER (C.) - Covalently functionalized nanotubes as nanometre-sized probes in chemistry and biology. - Nature, 394, 52-55 (1998).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Thèses
ROUILLAT (M.-H.) - Caractérisation par microscopie à force atomique d’une puce ADN, de l’élaboration à l’hybridation. - Thèse de doctorat, École centrale de Lyon (2004).
CANETTA (E.) - Micromanipulation de cellules vivantes par spectrométrie AFM. - Thèse de doctorat, université Joseph-Fourier, Grenoble (2004).
EMMRICH (E.) - Études des interactions entre des nanoparticules d’or et des monocouches de dendrimères à terminaisons thiols. - Thèse de doctorat, université Paul-Sabatier, Toulouse (2004).
ZAPPONE (B.) - Films nanométriques de cristaux liquides étudiés par mesure de force SFA et AFM. - Thèse de doctorat, université de Bordeaux-I (2004).
NOËL (O.) - Phénomènes d’adhésion à l’échelle locale : une approche par AFM. - Thèse de doctorat, université de Haute-Alsace, Mulhouse (2003).
MUNFORD (M.L.) - Electrodeposiçao de nanoestruturas metalicas em silisio monocristalino. - Thèsee doctorat, université Pierre-et-MarieCurie, Paris (2002).
MERKOURAKIS (S.) - Étude par MET et AFM de la croissance de multicouches Cu/Co élaborées par électrodéposition. - Thèse de doctorat, université Pierre-et-Marie-Curie, Paris (2001).
DECOSSAS (S.) - Nanotribologie par microscopie à force atomique (AFM) sur des nanotubes de carbone. - Thèse de doctorat, université Joseph-Fourier, Grenoble (2001).
TROMAS (C.) - Étude par AFM et TEM des premiers stades de plasticité induits par un essai de nano-indentation sur une face (001) d’un monocristal d’oxyde de magnésium....
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