Article de référence | Réf : AM3280 v1

Microscopie en mode contact « classique » (AFM)
Imagerie de surface de polymères : microscopie à force atomique

Auteur(s) : Ghislaine COULON

Date de publication : 10 janv. 2000

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  • Ghislaine COULON : Professeur à l’Université des Sciences et Technologies de Lille - Docteur ès sciences

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INTRODUCTION

La microscopie à force atomique fait partie de la famille des microscopies à sonde locale.

Un des buts essentiels des microscopies à champ proche est d’imager la surface d’un matériau dans l’espace direct réel avec une résolution spatiale allant de quelques dizaines de micromètres au dixième de nanomètre. Leur principe est simple : une sonde de petite taille est placée à proximité de la surface ; en balayant la sonde au-dessus de la surface, on obtient une image tridimensionnelle de celle-ci qui est le reflet de l’interaction sonde-surface.

Pour le microscope à force atomique, la sonde est une pointe métallique et l’image est obtenue par détection des forces d’interaction entre les atomes de la pointe et ceux de la surface.

Actuellement, il existe plusieurs types de microscopie à force atomique que l’on peut regrouper en trois familles :

  • la microscopie en mode contact : la pointe est placée au contact de la surface étudiée ;

  • la microscopie en mode non-contact ou résonnant : la pointe est placée à quelques dizaines de nanomètres de la surface ;

  • la microscopie en mode intermittent : la pointe vient au contact de la surface de manière intermittente.

Dans cet article, nous étudierons l’application de ce type de microscopie à l’imagerie de surface de polymères.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-am3280


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2. Microscopie en mode contact « classique » (AFM)

Par souci de clarté, le principe de fonctionnement du microscope à force atomique sera développé ici dans le cas du microscope à force atomique en mode contact, mis au point par Binnig, Quate et Gerber en 1986. Les versions ultérieures du microscope à force atomique seront décrites ensuite plus rapidement avec des exemples d’application.

Dans le cas de l’AFM (Atomic Force Microscopy ), la pointe est maintenue au contact de la surface et l’image topographique est obtenue par mesure de la composante normale à la surface de la force répulsive entre les atomes de la pointe et de la surface (figure 3).

La valeur de la force normale est déduite de la mesure de la déflexion du ressort qui est solidaire de la pointe.

L’intensité de la force normale varie entre 10–7 et 10–11 N suivant que les observations sont faites dans l’air ou dans un milieu liquide [4]. Lorsque la surface du polymère est fragile, il est donc préférable de travailler en milieu liquide afin de minimiser la force appliquée. Différents types de cales piézoélectriques sont maintenant disponibles, permettant des tailles maximales, de balayage de l’échantillon dans le plan horizontal (x, y ) allant de 10 × 10 à 200 × 200 µm2. Les ressorts utilisés sont en général en nitrure de silicium, en silice ou en silicium. Leur taille (longueur : 100 à 500 µm, épaisseur : 0,5 à 5 µm, masse : 10–5 à 10–7 g) est choisie de façon à ce que leur constante de raideur k soit de l’ordre de 0,1 à 1 N/m et leur fréquence de résonance de l’ordre de 10 à 100 kHz. Dans ces conditions, la pointe pourra mesurer des variations de hauteur (Δz ) de l’ordre du nanomètre sans perturber l’arrangement atomique de la surface (la fréquence propre de vibration des atomes est supérieure ou égale à 1013 Hz) et en s’affranchissant des basses fréquences parasites extérieures. Les pointes ont souvent une forme pyramidale et leur rayon de courbure à l’apex est de l’ordre de 20 nm. L’AFM se caractérise par une excellente résolution : la résolution verticale en z est de l’ordre de 0,02 nm et la résolution latérale de l’ordre de 0,01 nm.

La figure 4 montre le...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BINNIG (G.), QUATE (C.F.), GERBER (C.) -   Atomic force microscope.  -  Phys. Rev. Lett., 12, p. 930-933 (1986).

  • (2) - MIZES (H.A.), LOH (K.J.), MILLER (R.J.P.), AHUJA (S.K.), GRABOWSKI (E.F.) -   Submicron probe of polymer adhesion with atomic force microscopy.  -  Appl. Phys. Lett., 59, p. 2901-2903 (1991).

  • (3) - MAGONOV (S.N.) -   Atomic force microscopy of polymers and related compounds.  -  Polymer Science, 38, p. 143-182 (1997).

  • (4) - WEISENHORN (A.L.), HANSMA (P.K.), ALBRECHT (T.R.), QUATE (C.F.) -   Forces in atomic force microscopy in air and water.  -  Appl. Phys. Lett., 54, p. 2651-2653 (1989).

  • (5) - WITTMAN (J.-C.) -   Orientation de matériaux organiques sur un substrat de Teflon.  -  Images de la Physique, CNRS Éd., p. 69-78 (1995).

  • (6) - COLLIN (B.), CHATENAY (D.), COULON (G.), AUSSERRE (D.), GALLOT (Y.) -   Ordering...

1 À lire également dans nos bases

ERARD (L.) - Organisation de la métrologie en France. Le LNE. - [R 60] Traité Mesures : généralités (2006).

RIVOAL (J.-C.) - FRETIGNY (C.) - Microscopie à force atomique (AFM). - [R 1 394] Traité Mesures mécaniques et dimensionnelles (2005).

ROBLIN (G.) - Microscopies optiques à balayage. - [R 6 714] Traité Mesures mécaniques et dimensionnelles (1999).

SALVAN (F.) - THIBAUDAU (F.) - Microscopie à sonde locale. - [P 895] Analyse et caractérisation (1999).

VAN LABEKE (D.) - Microscopie optique en champ proche. - [P 862] Traité Techniques d'analyse (1998).

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