Dossier | Technologies | Les microscopes
Le microscope à force atomique (AFM), simple et polyvalent (3/6)
Mis à jour en août 2008
Les microscopes
- Les microscopes, explorateurs de l’infime
- Le microscope électronique à balayage (MEB)
- Le microscope à force atomique (AFM), simple et polyvalent
- Le ToFSIMS Analyste de haut vol
- Le spectromicroscope de photo-électrons XPEEM
- Et demain ? Vers la troisième dimension
Vu de très près, la surface d’un matériau est un vrai champ de forces. Les atomes « crochus » s’attirent et ceux qui sont déjà liés à d’autres repoussent les intrus. Entre deux atomes, l’attraction, qui met en jeu les forces de Van der Waals, permet de former des molécules ou des cristaux tandis que leurs nuages électroniques se repoussent mutuellement. Puisque ces forces sont très faibles, il faut rester à des distances très petites pour les sentir.
L’élément principal d’un microscope à force atomique, c’est la pointe, réalisée par exemple en silicium. Son rayon de courbure détermine la résolution du microscope.
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Nicolas Chevalier
Expert en microscopie en champ proche (CEA/Minatec)
Découvrez l’un des microscopes à force atomique de la plate-forme et notamment le fonctionnement de sa pointe en silicium. Démonstration avec un échantillon
Durée : 03'22 |
En principe
Lorsque la pointe du microscope AFM se déplace sur la surface, elle fait ployer son support, le micro levier ou « cantilever » fait le plus souvent de silicium.
© C. Reyraud
Il y a trois façons d’utiliser la pointe de l'AFM :
- Dans le mode contact, la pointe appuie sur la surface. Les cortèges électroniques des atomes se repoussent. Le levier est dévié.
- Dans le mode contact intermittent (tapping), de loin le plus utilisé, le levier vibre à une centaine de kHz. Lorsque la pointe interagit avec la surface, l'amplitude de la vibration décroît parce que la fréquence s’éloigne de la résonance.
- Dans le mode non-contact, la pointe est attirée. Les forces attractives étant très faibles, il faut travailler au froid et sous vide pour éviter l’humidité et l’agitation thermique.
La famille des microscopes à sonde locale
Ce sont des céramiques déformables (tube central) grâce à l’effet piézo-électrique qui ont permis l’avènement de toute cette famille de microscopes...
Effet piézo-électrique
À l’instar du quartz qui rythme le coeur de nos ordinateurs et de nos montres, ces céramiques se contractent ou se dilatent sous l’effet d’une tension électrique. Ces variations n’excèdent pas quelques micromètres, mais sont suffisamment rapides pour suivre le relief atomique.
En pratique
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| L’échantillon est débarrassé des poussières avant d’être posé sur la platine. | L’opérateur fait descendre la tête jusqu’à l’échantillon à l’aide d’un joy-stick. | Une caméra contrôle la position de la tête et un laser (à gauche) repère la courbure du bras flexible qui porte la pointe. |
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| La précision du système repose en grande partie sur la qualité de cette pointe (à droite) : plus elle est fine, plus elle sera sensible aux détails de la surface. | ||
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| L’examen commence : la pointe déplacée latéralement par son support balaie la surface de l’échantillon. Elle est maintenue à distance constante de la surface grâce au laser et au système d’asservissement. | Les déplacements en hauteur de la pointe sont enregistrés via le système d’asservissement. | Cette dénivellation est retranscrite à l’écran via l’ordinateur tandis que le balayage décrit toute la surface. |
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| L’AFM repose sur le système de mise en mouvement de sa tête, de son micro levier et de sa pointe. |
© CEA/DRT/Leti/D2MT/C. Reyraud