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Auteur(s)
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Ghislaine COULON : Professeur à l’Université des Sciences et Technologies de Lille - Docteur ès sciences
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Lire l’articleINTRODUCTION
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 ;
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la microscopie en mode non-contact ou résonnant : la pointe est placée à quelques dizaines de nanomètres de la surface ;
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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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5. Microscopie en mode intermittent (TM)
Dans le domaine des polymères, l’avènement en 1995 du microscope en mode intermittent TM (ou TappingTM mode) a permis d’augmenter de façon significative la résolution des images de surface de polymères non-modèles (présentant, par exemple, une forte rugosité de surface).
Une oscillation de fréquence élevée (300 kHz), voisine de la fréquence de résonance du ressort (de raideur élevée : k = 10 -40 N/m ; facteur de qualité Q = 100 à 1 000) et d’amplitude variable (A i = 10 à 100 nm), est imposée au ressort [13]. Initialement, la pointe se trouve loin de la surface et le ressort oscille librement (amplitude A 0). Puis, quand on rapproche la surface du polymère, la pointe, pour chaque position basse, vient taper la surface de façon intermittente (figure 10) ; en raison de l’interaction pointe-surface, les caractéristiques de l’oscillation (amplitude, phase) vont varier.
5.1 Images amplitude et hauteur
Du fait de l’interaction pointe-surface, l’amplitude A i est inférieure à l’amplitude A 0 de l’oscillation libre. Au cours du balayage dans le plan (x, y) de l’échantillon, l’amplitude A i varie, on peut imager la surface en mesurant les variations de A i en tout point de la surface : c’est le mode amplitude. L’image « amplitude » met en évidence les variations de pente en tout point de la surface.
La topographie de la surface est obtenue en utilisant une boucle de rétroaction qui a pour but de maintenir A i constant en translatant verticalement la cale piézoélectrique de Δz (et donc l’échantillon) ; la valeur de A i est imposée par l’expérimentateur. La mesure de la translation Δz en tout point permet de construire l’image : c’est le mode hauteur.
Les pointes utilisées sont en silicium, elles ont une forme très effilée et ont un rayon de courbure à l’apex de l’ordre de 10 nm.
Le microscope à mode intermittent présente de nombreux avantages par rapport au microscope en mode contact classique :
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la force d’interaction est normale à la surface, il n’y a pas de composante tangentielle ce qui évite...
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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 of...
ANNEXES
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).
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Advanced Technologies Center (ATC) http://www.nanoscopy.net
Elexience http://www.elexience.fr
Fondis Electronic http://www.fondiselectronic.com
Novascan http://www.novascan.com
Oxford...
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