1 - DÉFINITION D’UN NANO-OBJET

2 - TECHNIQUES POUR MESURER LA TAILLE D’UN NANO-OBJET

• 2.1 - Méthodes directes
• 2.2 - Méthodes indirectes
• 2.3 - Bilan et sélection des méthodes de mesure des paramètres dimensionnels de NP
  Tableau 1 - Synthèse des méthodes de mesure présentées pour caractériser les [...]

3 - MESURE DE TAILLE PAR MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM)

• 3.1 - Principe de la mesure par AFM
  Figure 2 - Mise en interaction de la pointe AFM avec une nanoparticule sphérique à imager et déposée sur un substrat présentant une certaine rugosité
• 3.2 - Mesurande : hauteur des NP mesurée par AFM
  Figure 3 - Méthode de la « calotte sphérique » mise en œuvre par O. Couteau et G. Roebben (Commission européenne, Joint Research Center, Institute for Materials and Measurements – IRMM, Belgique) Figure 4 - Mesure de taille de nanoparticules déposées en monocouche grâce à la mesure du pas du réseau constitué par celles-ci. Cette méthode est mise en œuvre par l’équipe de J. Garnaes (DFM – Institut de métrologie danois) [37] et également par l’équipe de F. Méli (METAS – Institut de métrologie Suisse) [20]
• 3.3 - Traçabilité des mesures AFM et étalonnage de l’instrument
  Figure 5 - Représentation schématique de la chaîne de traçabilité des mesures dimensionnelles de nano-objets Figure 6 - (a) AFM métrologique du LNE, instrument de référence national et clef de voûte de la chaîne de traçabilité des mesures à l’échelle du nanomètre, (b) réseau 2D de motif (STS-440P – VLSI), utilisé comme étalon de transfert pour l’étalonnage des microscopes AFM et MEB Figure 7 - Réseau étalon P900H60 développé dans le cadre d’une collaboration entre le LNE et le CNRS/C2N Tableau 2 - Hauteur de marche et pas de réseau moyens déterminés par AFM [...]
• 3.4 - Qualification métrologique de l’instrument et bilan d’incertitude
  Tableau 3 - Hauteurs moyennes, évaluées à partir de cinq séries de mesures [...] Tableau 4 - Bilan d’incertitudes associé à la mesure de la hauteur par AFM d’une [...]
• 3.5 - Analyse d’image

4 - MESURE DE TAILLE PAR MICROSCOPIE ÉLECTRONIQUE À BALAYAGE (MEB)

• 4.1 - Principe de la mesure par MEB
• 4.2 - Mesurandes : diamètre de surface équivalente projetée, diamètres de Féret minimum et maximum
  Figure 8 - a) Exemple d’une image MEB de trois nanoparticules de silice et b) profil tracé pour l’une d’entre elles Figure 9 - Exemples de mesurandes possibles pour la mesure d’un nano-objet de forme quelconque : diamètres de Féret minimum (D fmin) et maximum (D fmax) ou diamètre de surface projetée (D eq-MEB)
• 4.3 - Analyse d’image
• 4.4 - Traçabilité des mesures MEB de nanoparticules et étalonnage de l’instrument
  Figure 10 - Image MEB du réseau étalon P900H60 Tableau 5 - Pas de réseau moyen déterminé par AFM métrologique : exemple de [...]
• 4.5 - Qualification métrologique de l’instrument
  Figure 11 - Diamètre équivalent moyen en surface projetée en fonction de la taille du pixel pour une même population de 250 NP ERM®-FD304 Tableau 6 - Diamètre équivalent moyen en surface projetée sur une population de [...] Tableau 7 - Bilan d’incertitudes pour la mesure du diamètre équivalent moyen [...]

5 - PRÉPARATION DES ÉCHANTILLONS

• 5.1 - Considération sur le nombre de particules à compter
  Figure 12 - Erreur liée à l’échantillonnage u (NB) en fonction du nombre de particules mesurées pour les trois suspensions ERM®-FD304, ERM®-FD102 et ERM®-FD101b Tableau 8 - …
• 5.2 - Préparation de la suspension colloïdale
• 5.3 - Méthode de dépôt sur substrat
  Figure 13 - Principe du dépôt de nanoparticules par la méthode de Spin Coating Figure 14 - Image MEB d'un dépôt de suspension de Klebosol 30R50 à (a) pH initial (pH ~ 7) et (b) pH = 2 déposée par Spin Coating Figure 15 - Image MEB d'un dépôt de suspension de référence ERM®-FD101b déposée par Spin Coating sur une couche de PLL
• 5.4 - Système de repositionnement
  Figure 16 - Motifs obtenus par lithographie sur substrat silicium pour le repositionnement entre AFM et MEB (figure tirée de [51])

6 - MÉTROLOGIE HYBRIDE COMBINANT DES MESURES AFM ET MEB

• 6.1 - Intérêt de cette nouvelle approche
• 6.2 - Comparaison des résultats de mesures AFM et MEB sur une population de nanosilice
  Figure 17 - Images (a) AFM et (b) MEB de la même zone d’une suspension colloïdale de silice ERM®-FD304 déposée sur le système de repositionnement (substrat silicium lithographié) ; histogramme de distribution de tailles en nombre des particules de silice : c) h AFM, d) D eq-MEB, e) D fmin et f) D fmax Figure 18 - Comparaison des mesures de D eq-MEB, h AFM, D fmin, D fmax réalisées sur une même population de 136 particules de référence ERM®-FD304 avec la valeur de référence donnée à titre indicatif par le certificat d’étalonnage
• 6.3 - Caractérisation des propriétés dimensionnelles de plusieurs populations de nanosilice par métrologie hybride
  Figure 19 - Comparaison des mesures individuelles de hauteur par l’AFM avec : (a) D eq-MEB, (b) D fmin, (c) D fmax pour chaque population de particules de silice Figure 20 - Forme des particules de silice en fonction de la différence entre h AFM et D eq-MEB : a) h AFM = D eq-MEB, b) h AFM < D eq-MEB et c) h AFM > D eq-MEB Figure 21 - (a) Comparaison des rapports d’aspects moyens ( D fmin/ D fmax), ( h AFM/ D fmin) et (h AFM/ D eq-MEB) en fonction de D eq-MEB pour chaque population de NP (ERM-FD102, ERM®-FD304, Klebosol 30R50 1er mode, Klebosol 30R50 2e mode et OT R3) : modélisation MATLAB de la forme moyenne d’une NP de (b) ERM®-FD102, (c) Klebosol 30R50 1er mode et (d) OTR3 basée sur les valeurs moyennes de h AFM, D fmin et D fmax Tableau 9 - Diamètre modal équivalent en surface projetée, mesuré par MEB et [...]

7 - CONCLUSION

8 - GLOSSAIRE

9 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES