Bibliographie & annexes
Présentation
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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Instrumentation et modes de fonctionnement3. Conclusion
Dans cette brève exploration des applications de la microscopie à force atomique, nous avons illustré quelques-unes des possibilités offertes par cette technique qui a vu le jour depuis moins de vingt ans. La possibilité d’imager des surfaces avec une résolution, transversale et verticale, de l’ordre du nanomètre a conduit à une moisson de résultats originaux.
Ce développement technologique nous a permis de nous habituer à l’idée qu’une ingénierie peut être conduite à une échelle trop petite pour être vue à l’œil nu, tout en utilisant des principes (mécanique, électricité, hydraulique, optique, tribologie, magnétisme...) familiers dans le monde macroscopique. Les domaines d’utilisation sont variés : physique, chimie, biologie, etc. Le développement d’appareils commerciaux se poursuit en parallèle aux recherches exploratoires pour augmenter la capacité d’acquisition, dans un temps donné.
L’AFM réserve encore de nombreuses améliorations et perfectionnements et est une des clés du domaine stratégique des nanotechnologies.
Les besoins des industriels français des micro- et nanotechnologies dans des domaines aussi divers que l’électronique, les télécommunications, l’optique, la mécanique, la chimie, la biologie, la santé, l’environnement, les transports et les sources d’énergie ne cessent de croître. Des outils de mesure très performants, tels que les microscopes électroniques et à champ proche, existent mais l’absence de raccordement à l’étalon national de longueur constitue aujourd’hui un véritable verrou technologique pour les industriels confrontés à la fabrication en grand volume de micro- et nanosystèmes.
En France, le BNM-LNE a créé une unité nanométrologie, au sein de la division métrologie dimensionnelle. Cette unité est chargée de la conception et de la réalisation d’un nouvel instrument de mesure tridimensionnel totalement innovant. Il vise à développer une capacité de raccordement se traduisant, dans un premier temps, par la conception, la réalisation et la mise en service d’un nouvel instrument de mesure tridimensionnelle. Ce nouvel instrument a été intégré, au cours de l’année 2004, au sein des salles blanches du laboratoire de nanométrologie construit sur le site de Trappes du LNE. Pour la première...
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Conclusion
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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