Qu’est-ce qu’un microscope à force atomique ?
Un microscope à force atomique (AFM pour Atomic Force Microscope en anglais) est un microscope qui permet de de détecter et de visualiser la structure fine de la surface d’un échantillon en balayant les atomes de la surface de l’échantillon grâce à une sonde appelée cantilever.
Les microscopes à effet tunnel ont une plus longue histoire en microscopie pour visualiser les microstructures de surface, mais ils sont limités à la mesure d’échantillons conducteurs, car la mesure est effectuée en générant un courant de tunnel entre le cantilever et l’échantillon. L’AFM se caractérise quant-à-lui par sa capacité à mesurer une large gamme d’objets, y compris des échantillons conducteurs, des isolants et des échantillons biologiques.
Utilisations du microscope à force atomique
Le microscope à force atomique est principalement utilisé dans le secteur industriel pour inspecter, car il peut révéler des irrégularités de surface à l’échelle nanométrique (1 nm = 10-9 m) jusqu’à l’angström (0,1 nm).
Il est entre autres utilisé pour mesurer l’uniformité et la rugosité du traitement de surface des substrats semi-conducteurs et pour inspecter la corrosion et la dégradation du placage d’électrodes utilisant des métaux tels que l’or et le cuivre. Dans la recherche, ce microscope est également utilisé pour observer de manière peu invasive les réactions et les changements structurels dans les biomolécules telles que les protéines.
Mode contact
Il s’agit d’un mode dans lequel la surface de l’échantillon est manipulée tandis qu’une rétroaction est appliquée pour maintenir une force répulsive constante entre le cantilever et l’échantillon. C’est le mode de mesure le plus courant avec le microscope à force atomique.
Mode sans contact ou mode dynamique
Le terme varie d’un fabricant à l’autre, mais le cantilever est amené à vibrer près de sa fréquence de résonance. L’amplitude change lorsque la pointe du cantilever s’approche de l’échantillon. Ce mode utilise ce phénomène pour maintenir l’amplitude constante et acquérir le déplacement dans la direction de la hauteur de l’échantillon.
Principe du microscope à force atomique
Le microscope à force atomique mesure le déplacement d’un cantilever grâce aux forces atomiques agissant entre le cantilever et la surface de l’échantillon. La méthode la plus courante de détection du déplacement consiste à utiliser une photodiode qui détecte le déplacement du cantilever.
Lorsque le cantilever est attiré par la surface de l’échantillon sous l’effet des forces interatomiques, l’angle de la lumière réfléchie change et une rétroaction est appliquée pour corriger à nouveau l’angle du cantilever. Le modèle de contrôle est alors visualisé comme la forme des irrégularités de la surface. Cette méthode de détection est appelée méthode du levier optique.
L’autre méthode utilise un élément piézoélectrique pour faire vibrer le cantilever de haut en bas et contrôler l’amplitude, la phase et la fréquence de cette vibration. La mesure est effectuée en balayant le cantilever avec un retour d’information, de sorte que ces paramètres restent constants.
Enfin, une dernière méthode consiste à mesurer directement la force appliquée en mesurant la flexion du cantilever. Cette méthode est particulièrement utilisée pour observer des échantillons biologiques tels que les cellules, mais dans ce cas, elle est utilisée pour mesurer la localisation des protéines membranaires ou la spécification mécanique des cellules, plutôt que la mesure de la topographie de la surface.
Que peut-on détecter en utilisant le microscope à force atomique ?
Les forces qui peuvent être détectées à l’aide de ce microscope peuvent être les forces d’attraction, de répulsion, d’adhésion et de liaison entre la pointe terminale et la surface du matériau. Le microscope à force atomique est également utilisé dans le domaine de la catalyse.
Voici quelques exemples d’applications :
- Observation atomique de zéolithes monocristallines et de minéraux argileux stratifiés.
- Les surfaces de clivage du mica, qui peuvent être atomiquement lisses, peuvent être utilisées pour observer des particules de palladium aussi petites que quelques nm sur des catalyseurs au palladium déposés sur ces surfaces.
Il n’est par ailleurs pas nécessaire de prétraiter le matériau pour effectuer des mesures, ce qui rend ce microscope unique car il peut être utilisé dans divers environnements, y compris dans l’air et dans les liquides. Cette caractéristique est utilisée pour mesurer les phénomènes d’adsorption et les processus de réaction chimique dans des zones de surface localisées. Un exemple de mesure est la mesure des processus d’adsorption de composés organiques mous. En modifiant la pointe, il est possible de mesurer sélectivement des forces autres que les forces interatomiques. Par exemple, la sonde peut être modifiée chimiquement avec une monocouche organique pour fonctionner comme un capteur chimique.
Courbe de force du microscope à force atomique
Les courbes de force sont utilisées pour mesurer les forces d’interaction. La courbe de force est mesurée en mettant la sonde en contact avec le matériau mesuré et en l’en éloignant de manière répétée, créant un mouvement de va-et-vient de la sonde. Ce mouvement permet de mesurer la courbe de force en fonction de la force et de la distance entre la pointe et la surface du matériau.
La courbe de force peut ne pas suivre la courbe de force originale en raison de l’instabilité du cantilever, ce qui entraîne une distorsion de la courbe de force réelle. Pour éviter ce problème, un cantilever approprié doit être sélectionné.
Les forces de van der Waals sont mesurées par la courbe de force dans l’air, il en va de même pour les forces d’adhésion et de ménisque basées sur la tension superficielle, du contact à l’arrachement. Dans certains cas, les mesures de courbes de force ont été appliquées à la caractérisation acido-basique de surfaces solides.
Différences entre le microscope à force atomique et le microscope à effet tunnel
Le microscope à effet tunnel a une résolution atomique élevée dans un vide ultra poussé, mais il est très sensible aux matériaux non conducteurs et à la contamination superficielle du matériau dans l’air. Le microscope à force atomique détecte la force entre le matériau et la sonde, il peut donc mesurer les matériaux non conducteurs et peut également effectuer des mesures dans l’air.