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Université Montpellier II Richard ARINERO 2005 arinero@lain.univ-montp2.fr 1 Mi

Université Montpellier II Richard ARINERO 2005 arinero@lain.univ-montp2.fr 1 Microscopie à force atomique I. Généralités Sommaire 1. Introduction........................................................ 1 2. Principe de fonctionnement................................ 1 3 Le levier .............................................................. 3 4 La pointe ............................................................. 4 4.1 Principales caractéristiques ......................... 4 4.2 l'usure des pointes........................................ 4 4.3 La résolution et les artefacts........................ 5 4.4 Mesure du rayon de courbure de la pointe .. 6 1. Introduction Pour cartographier la surface d’une pièce à l’échelle du millimètre ou du micromètre, ce ne sont pas les méthodes qui manquent. Les machines à mesurer tridimensionnelles, les profilomètres, les stations de mesure optique, les microscopes…s’appuient sur des palpeurs optiques ou à contact pour balayer la surface du matériau et en déterminer le relief. A l’échelle nanométrique, c’est une autre histoire…Les forces interatomiques (forces électrostatiques, de Van der Waals, etc…) ne sont plus négligeables et elles doivent être prises en compte dans le principe de mesure. La microscopie à force atomique* (Atomic Force microscopy ou AFM) fait mieux que cela : elle s’appuie sur ces forces pour caractériser l’état de surface des matériaux, et même un certain nombre de ses propriétés physicochimiques (électriques, magnétiques, mécaniques, etc...), indépendamment de la nature de l’échantillon. Son champ d’application est donc extrêmement vaste. La méthode est employée dans les laboratoires de recherche ou en milieu industriel pour visualiser des structures à l’échelle nanométrique, réaliser des cartographies tridimensionnelles, détecter les défauts de surface de tous types de matériaux (notamment dans les industries du semiconducteur ou de l’optique), visualiser des domaines magnétiques, mesurer la dureté des matériaux par nanoindentation, et même déterminer les propriétés d’échantillons biologiques (mesure des constantes de force des molécules, observations de l’ADN, etc…). * La Microscopie à Force Atomique doit son invention en 1985 aux physiciens allemand et suisse Gerd Binnig et Heinrich Rohrer (tous deux prix Nobel de physique en 1986) 2. Principe de fonctionnement Le principe de fonctionnement du microscope à force atomique trouve ses racines dans les travaux de Tabor et Israelachvili [1] concernant la mesure des forces "intermoléculaires" de surface. Il s'agit de mesurer l'interaction s'exerçant entre deux corps en fonction de leur distance de séparation. Une pointe, très fine (jusqu’à 10nm de rayon et 10 µm de hauteur), est solidaire d'un microlevier (en anglais : cantilever) à son extrémité. La souplesse de ce dernier (raideur en flexion comprise entre 10-2 et 102 N/m) l'autorise à fléchir avec une bonne sensibilité sous l'action des forces agissant sur la pointe. Le système microlevier-pointe peut être grossièrement assimilé à un système masse-ressort et la force de rappel du ressort, égale au produit de la raideur en flexion du microlevier l k par sa déflexion z ∆ ∆ ∆ ∆, est en équilibre avec la force d'interaction pointe-surface correspondant à la distance de séparation d (figure 1). Figure 1 : Le microlevier en AFM est assimilable à un ressort dont l'allongement est fonction de la force d'interaction pointe-surface. Dans la plupart des cas, la détection de la déflexion est optique. Elle se fait au moyen d'un faisceau laser dirigé vers l'extrémité du microlevier et réfléchi vers un système de photodiode à 2 cadrans. La différence d'éclairement entre ces cadrans est proportionnelle à la déflexion angulaire du microlevier au point d'impact du laser. En général, les systèmes récents disposent de photodiodes à 4 cadrans qui vont permettre non seulement la détection de mouvements de flexion, mais aussi la détection de mouvements de torsion du microlevier lorsque la pointe sera soumise à un phénomène de friction. L'échantillon peut être déplacé dans les trois dimensions par rapport à la pointe fixe à l'aide de tubes piézoélecriques (PZT cylindriques creux). La sensibilité de ces tubes est de l'ordre de 1 à 100 nm/V. Une précision de l'ordre du millivolt dans les tensions de commande permet des déplacements avec une précision meilleure que l'angström. Parfois, c'est la pointe qui est déplacée par rapport à l'échantillon. Cette configuration autorise l'analyse des grands échantillons et le travail en milieu liquide. Les principaux problèmes liés à l'utilisation Université Montpellier II Richard ARINERO 2005 arinero@lain.univ-montp2.fr 2 des tubes piézoélectriques résultent des phénomènes d'hystérésis et de la non linéarité de la relation tension-déformation sur l'ensemble de leur domaine d'utilisation. Ces déviations à la linéarité sont d'autant plus importantes que les tensions appliquées sont élevées. Pour minimiser ces effets, on utilise dans la pratique des tubes dont l'excursion est adaptée à l'échelle de l'étude, i.e de quelques nanomètres à une centaine de micromètres. L'obtention d'images topographiques (le relief) de la surface peut se faire en maintenant la force d'interaction pointe-échantillon constante au cours du balayage de la zone étudiée. Une boucle d'asservissement (contre-réaction) permet d'ajuster la position de l'échantillon par rapport à la pointe. Le signal récupéré par la photodiode est comparé à un signal de consigne et un signal d'erreur est généré. Celui-ci est envoyé au tube piézoélectrique et a pour effet de provoquer des déplacements verticaux de l'échantillon. Ce sont ces déplacements verticaux qui sont enregistrés et utilisés pour la création d'une image qui reflète le relief de la surface ; la validité de cette image étant limitée par des effets dits de "dilatation". Dans la littérature, par abus de langage, on parle fréquemment de "convolution" de la forme de la pointe avec la topographie de l’échantillon. Un schéma du dispositif classique est présenté sur la figure 2. 2 Les forces en microscopie à force atomique Une première approche pour décrire les forces mises en jeu en microscopie à force atomique consiste à considérer l'énergie d'interaction qui existe entre deux atomes (ou molécules) non liés. Cette énergie est très souvent exprimée sous la forme d'un potentiel par paire de Lennard-Jones. Ce potentiel est la combinaison d'une interaction attractive de Van der Waals qui prédomine à "grande distance" de séparation et d'une interaction répulsive qui intervient de façon prépondérante à "faible distance" lorsque les orbitales atomiques tendent à s'interpénétrer (principe d'exclusion de Pauli). La force interagissant entre les deux atomes et qui dérive de ce potentiel est illustrée sur la figure 3. En sommant les forces de chaque paire d'atomes, on obtient la force attractive de Van der Waals entre une sphère et un plan séparés d'une distance d , donnée par l'expression : ( ( ( ( ) ) ) ) 2 vdw d 6 HR d F − − − − = = = = (I.1) H est la constante de Hamaker ( J 10 19 − − − − ≈ ≈ ≈ ≈ pour les phases métalliques interagissant dans le vide) et R est le rayon de courbure de la pointe à son apex. Dès lors que la sphère et le plan arrivent au contact, cette force attractive atteint une valeur maximale qui correspond à la force d'adhésion adh F . Reste que la frontière entre le non-contact et le contact n'est pas simple à définir. En effet, à partir de quelle distance de séparation c d peut-on dire que la pointe et la surface sont en contact ? Si on convient pour d de prendre l'espace vide entre la pointe et la surface, supposées constituées de sphères dures, alors la valeur 16 . 0 dc = = = = nm semble convenir de façon quasi-universelle [2]. C'est environ la moitié du diamètre d'un atome. A titre d'exemple, lorsque le microscope est sous vide, si 20 R = = = = nm , au contact, i.e pour 16 . 0 dc = = = = nm , 12 Fadh ≈ ≈ ≈ ≈ nN . Le fait de travailler à l'air modifie fortement les phénomènes à faible distance de séparation car sous atmosphère humide ou contaminée, un ménisque de liquide peut se former entre la pointe et la surface (figure 4). On attribue sa présence à la condensation spontanée de vapeurs d'eau ou bien à la présence de molécules déjà adsorbées par la surface. A Figure 2 : dispositif expérimental classique en microscopie à force atomique Figure 3 : représentation de la force d'interaction interatomique selon un potentiel de Lennard-Jones. Université Montpellier II Richard ARINERO 2005 arinero@lain.univ-montp2.fr 3 l'équilibre thermodynamique, le rayon du ménisque d'eau est lié au taux d'humidité par l'équation de Kelvin : ( ( ( ( ) ) ) ) sat gaz L p p T R V r log γ γ γ γ ≈ ≈ ≈ ≈ (I.2) avec L γ γ γ γ la tension superficielle du liquide (73 2 m / mJ pour l'eau), V le volume molaire du liquide, gaz R la constante universelle des gaz parfaits, T la température absolue, p la pression partielle de vapeur et sat p la pression de vapeur saturante. A titre d'exemple, le rayon d'un ménisque constitué d'eau vaudrait 1 r ≈ ≈ ≈ ≈ nm pour un taux d'humidité sat p p de 30% à 20° C. Figure 4 : à l'air, formation d'un ménisque capillaire entre une sphère et un plan. L'attraction mutuelle entre la pointe et la surface (la capillarité) résulte de la pression négative de Laplace qui règne à l'intérieur du ménisque : r P L lap γ γ uploads/s3/ afm-generalites.pdf