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Microscopie et spectroscopie à force atomique (AFM) et microscopie à effet tunnel (STM)

(mise à jour 27 janvier 2021)

Responsable
Patricia BERTONCINI

Les techniques de microscopies à force atomique et à effet tunnel permettent d’enregistrer des images par balayage d’une sonde fine positionnée à une distance de quelques nanomètres de la surface d’un échantillon. Ces images sont des cartographies à très haute résolution de diverses propriétés de surface de l’échantillon. La palette de modes d'acquisition et d'échantillons observables est très riche.


Equipement

 

AFM Nanowizard II JPK InstrumentsImage1

      • Scanner
        XY = 100 x 100 µm2
        Z = 15 µm
        Closed-loop
      • Diode laser
        λinfra-rouge (850 nm)

      • Modes
        Contact, contact intermittent
        Spetroscopie de force
        Spectroscopie de force longue distance (100 µm)
        Cartographie de force
        Nano-manipulation

 

 

 Multimode 8 Nanoscope V de BrukerImage2

      • 3 Scanners
        XY = 180 x 180 µm2 ; Z = 5 µm
        XY = 10 x 10 µm2 ; Z = 3,3 µm
        XY = 1 x 1 µm2 ; Z = 0,6 µm (résolution atomique sur HOPG ou mica)
      • Diode laser
        λrouge
      • Modes
        Contact, contact intermittent
        Spectroscopie de force
        Modes dédiés à l'étude des propriétés :
        - électriques et magnétiques : EFM, MFM, KPFM, C-AFM
        - mécaniques : Peak Force QNM

 

 


Quelques exemples d’applications

 

Microscopie à effet tunnel (STM)

Le microscope à effet tunnel (acronyme STM pour Scanning Tunneling Microscope) permet d’imager la surface d’un matériau à l’échelle atomique dans l’espace direct et d’en sonder la densité locale des états électroniques, grâce à la mesure du courant tunnel généré entre une pointe métallique et un échantillon conducteur lors de l’application d’une différence de potentiel entre eux.

Image3

Image STM de la surface d’un échantillon de 1T-TaS2 obtenue dans le mode d’imagerie à courant constant et à température ambiante.
Elle montre simultanément le réseau atomique et le super réseau des ondes de densité de charge.
(Echantillon IMN, L. Cario, E. Janod, images IMN, P. Bertoncini).

 

 

Microscopie à force magnétique (MFM : Magnetic Force Microscopy)

Un microscope à force magnétique (MFM) est un microscope à force atomique (AFM) avec une pointe magnétique. Les forces mesurées résultent des interactions entre la pointe magnétique et la surface et le signal recueilli traduit les variations de l’aimantation de la surface de l’échantillon. Les images MFM sont représentatives des domaines magnétiques et reflètent également les variations des champs magnétiques au niveau de la surface d’un échantillon.

 

Acier Duplex

Image4 

Image de la topographie de l’échantillon (à gauche) et cartographie des domaines magnétiques (image de phase MFM) d’un acier Duplex
(échantillon IMN, E. Bertrand, P. Paillard, images IMN, P. Bertoncini).


 

Nano-manipulation

La pointe peut aussi être utilisée comme un outil de manipulation… Ainsi, par exemple, le logo de l’Institut des Matériaux Jean Rouxel a été gravé dans une couche de polymère.

Image5
 Images de la topographie de la surface en polycarbonate d’un disque compact avant (à gauche) et après une étape de « gravure » (à droite).
L’étape de « gravure » a consisté à exercer une forte pression sur la surface du polymère avec la pointe en suivant un tracé particulier (Images IMN, P. Bertoncini).

 

 

Cartographie des propriétés mécaniques par spectroscopie de force

L’AFM permet d’enregistrer des courbes de force-distance en amenant la pointe AFM en contact avec la surface de l’échantillon puis en l’éloignant. Les courbes d’approche permettent, tout en déterminant la topographie de surface de l’échantillon, de quantifier la déformation mécanique de l’échantillon et d’extraire le module élastique. Les courbes de retrait permettent de mesurer différentes forces d’adhésion entre la pointe AFM et l’échantillon, des forces d’interaction, d’étirer des molécules…

Image6
Exemple de courbes de force approche (en gris) et retrait (en noir). Elles ont été enregistrées lors de la mise en contact d’une cellule vivante immobilisée sur un microlevier avec la surface d’une boite de Pétri avant d’en être détachée. (Courbes IMN : P. Bertoncini).

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