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Auteur(s)
-
Ghislaine COULON : Professeur à l’Université des Sciences et Technologies de Lille - Docteur ès sciences
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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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Microscopie en mode intermittent (TM)4. Microscopie en mode non-contact (ou résonnant)
Pour éviter le frottement pointe-surface et pouvoir imager la surface de matériaux fragiles, le microscope résonnant (non-contact) a été mis au point quasiment à la même époque que le microscope à force atomique en mode contact « classique » [11]. Dans ce cas, la pointe est située à proximité de la surface, à une distance de l’ordre de 10-100 nm et est donc sensible aux forces d’interaction de plus longue portée de type van der Waals attractive, électrostatique ou magnétique.
Au lieu de mesurer des déflexions statiques du ressort, comme dans le mode contact (AFM), le ressort est ici forcé d’osciller à une fréquence voisine de sa fréquence propre, l’amplitude de l’oscillation est faible (quelques nanomètres). En présence de la force d’interaction ou plus exactement du gradient de la force, dF/dz, la constante de raideur effective
du ressort est modifiée :
Si, par exemple, la force est attractive, le ressort devient moins raide et, par conséquent, la fréquence de résonnance décroît ; cette décroissance est ensuite détectée en mesurant soit les variations d’amplitude ΔA, soit les variations de fréquence Δω de l’oscillation forcée en présence de la force [11]. La bonne sensibilité de cette méthode dépend fortement de la valeur du coefficient de qualité du ressort Q (typiquement 100) et des vibrations thermiques du ressort qui sont la source principale du bruit. L’amplitude des vibrations thermiques est donnée par le théorème d’équipartition :
avec :
- <(Δz)2> :
- valeur moyenne de Δz
- k :
- constante de Boltzmann
- T :
- température.
Ainsi,...
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Microscopie en mode non-contact (ou résonnant)
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).
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(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...
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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