Jean-François Morin! Nanosciences et nanotechnologies! CHM-4203! Chapitre 2. Les outils de caractérisation en nanoscience!

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1 Chapitre 2 Les outils de caractérisation en nanoscience!

2 Il existe plusieurs techniques de caractérisation pour l étude des nanostructures organiques, inorganiques et de surface. Les principales sont la microscopie à effet tunnel (STM), la microscopie de force atomique (AFM), la microscopie électronique à transmission (TEM) et à balayage (SEM). Les analyses se font principalement sur des surfaces (exclusivement pour STM et AFM).! D autres techniques de caractérisation sont très importantes en nanoscience pour connaître la composition chimique des surfaces. Toutefois, elles ne permettent pas une caractérisation tridimensionelle directe des nanostructures. Ex.: XPS, LEED, RHEED, EXAFS, RAIRS, etc.! Le choix de la technique de caractérisation utilisée dépend des renseignements recherchés et des limitations expérimentales. Toutes les techniques possèdent des avantages et des inconvénients.! 2.1 Microscopie à effet tunnel (STM)! La microscopie à effet tunnel est sans aucun doute l instrument qui a donné naissance à la nanoscience moderne.! Développé en 1981 par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer dans les laboratoires de IBM (Zürich).! 2!

3 Prix Nobel en 1986, soit seulement 5 ans après l invention.! Cette technique permet la visualisation d atomes individuels et permet de tracer une topographie de la densité électronique de la surface. C est la première technique à permettre une telle résolution.! Principe de fonctionnement! En STM, la pointe métallique du microscope est déplacée de façon latérale sur une surface métallique. Entre la pointe et la surface, une différence de potentiel constante est maintenue et un courant constant est mesuré. Lorsque la pointe rencontre un atome (ou molécule), le courant change dû à l effet tunnel. C est la variation de ce courant à chaque endroit de la surface qui permet de tracer une image de la surface.! Les endroits de la surface où le courant tunnel est plus élevé se présente sous forme de taches plus claires. Ce courant est généralement proportionnel à la distance pointe-orbitale.! L effet tunnel est un phénomène quantique par lequel les électrons passent à travers un obstacle physique au lieu de rebondir. Ceci est dû au caractère ondulatoire de l électron.! 3!

4 4!

5 Les expériences sont souvent menées sous vide et à basse température, mais il est également possible de faire des analyses à la pression atmosphérique et à la température ambiante.! Pointe Le plus souvent fait de W ou d un alliage de W. Aussi, Pt-Ir et Au. Les pointes peuvent être fabriquées très facilement de façon 1) mécanique et par 2) décapage. Cette technique mène à une pointe monoatomique (Tip Apex).! La géométrie de la pointe a une très importance sur la qualité des images obtenues.! 5!

6 Surface Le plus souvent, des surfaces de métaux (Au, Cu, Pt) évaporés sous vide sur un substrat de silicium sont utilisées. Aussi, des semi-conducteurs (HOPG, Si) peuvent être utilisés.! Dans des conditions idéales, la résolution latérale peut atteindre 0,1 Å et la résolution verticale 0,01 Å. Toutefois, c est rarement le cas et des résolutions d un ordre de grandeur plus grandes sont atteintes.! Applications générales! Le STM est utilisé pour quatre raisons principalement:! Visualisation et étude de surfaces métalliques et d arrangements d atomes et de molécules.! 6!

7 NbSe2 sur substrat de silicium! Phtalocyanine sur Si(100)! Molécules mobiles sur des surfaces d or! En général, la pointe est placée à une distance variant entre 4 et 7 Å de la surface.! Manipulation d atomes et de molécules sur des surfaces.! Il existe deux types de manipulation: 1. Latérale 2. Verticale! 7!

8 Manipulation latérale! Se fait en trois étapes:! 1. Rapprochement de la pointe jusqu à l atome à manipuler. 2. Déplacement latérale de la pointe. 3. Réduction du courant tunnel et dépôt de l atome à l endroit voulu. Cette méthode est généralement celle utilisée pour les molécules.! Trois mécanismes différents ont été observés:! (Phys. Rev. Lett. 1997, 79, 697.)! Poussé (pushing)! Tiré (pulling)! Glissé (sliding)! 8!

9 La mesure peut se faire soit en gardant le courant constant et en mesurant la hauteur ou en gardant la hauteur constant en mesurant les variations de courant.! Très utile pour mesurer la distance entre les sites sur la surface.! Avec les molécules, le comportement de la pointe est très différent puisqu elles contiennent souvent plus d un degré de liberté.! Manipulation verticale! Se fait de trois façons différentes:! 1. Champ électrique 2. Excitation électronique (Inelastic Tunneling Induced Manipulation) 3. Contact mécanique! 9!

10 Courbe noir: Potentiel à ~6Å (imagerie) Courbe pointillée: Potentiel suite à l application d un champ électrique Courbe grise: Potentiel suite au contact mécanique! La méthode choisie dépend de l atome (ou de la molécule), de la surface et la nature de la pointe.! Cette méthode est surtout utilisée pour la nanomanipulation d atomes ou de molécules très simples. Les différences de potentiel impliquées sont souvent trop élevées pour la manipulation de molécules (bris de liaisons).! Dans les meilleures conditions, la précision des déplacements est de l ordre de 1 Å. Toutefois, les déplacement ne se font qu en 2 dimensions.! 10!

11 Autre inconvénient: Choix de la surface (conductrice ou semi-conductrice).! Quelques exemples:! Atome de Fe sur une surface de Cu(111)! Surf. Rev. Lett. 1995, 2, 127.! Nano Lett. 2005, 5, 2330.! 11!

12 Possibilité de faire des réactions chimiques entre deux molécules sur des surfaces.! Ex.:! Phys. Rev. Lett. 2000, 85, 2777.! 12!

13 Isomérisation cis-trans de composés azobenzène:! Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 603.! J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, ! 13!

14 Mesure des propriétés électroniques d une molécule simple:! Nature Mat. 2005, 4, 167.! 14!

15 Avec un appareillage standard, il est possible d effectuer environ 1 balayage/minute (20 x 30 nm).! 15!

16 2.2 Microscopie par force atomique (AFM)! L AFM est sans doute l instrument de microscopie le plus utilisé en nanoscience.! Plus facile d utilisation Beaucoup moins dispendieux! Cette technique a été inventé par Binnig, Quate et Gerber en 1986.! Contrairement au STM, l AFM n implique pas l utilisation d un champ électrique. Donc, aucun besoin d une surface conductrice.! Principe de fonctionnement! En AFM, la pointe (cantilever) du microscope est déplacée de façon latérale sur une surface choisie selon le type d expérience. Lorsque la pointe rencontre un atome, une molécule ou autres objets nanométriques, la force appliquée sur la pointe change ce qui se traduit par un changement de position verticale de la pointe. Ce changement est mesuré avec une très grande précision par un rayon laser. C est la variation de la hauteur de la pointe à chaque endroit de la surface qui permet de tracer une image (topographie) de la surface.! 16!

17 Pointe! Généralement, la pointe est faite de Si, SiN ou SiO2. La pointe n est pas nécessairement monoatomique et le rayon de courbure est de l ordre du nanomètre.! En touchant à la surface, la pointe de l AFM répond selon la loi de Hooke.! 17!

18 Typiquement, la valeur de k varie entre 0,1-1 N m -1 (mode contact). Cette faible valeur est nécessaire pour ne pas endommager les surfaces.! Aussi, pour être la plus précise possible, la pointe doit avoir la fréquence de résonance la plus élevée possible:! La pointe doit donc avoir une très faible masse.! Surface! Plusieurs surfaces peuvent être utilisées. Le mica clivé est très répandu, ainsi que certains polymères.! Résolution! Les données sur la résolution de cet outil varient beaucoup (0,1-1 nm). Dépend de beaucoup de facteurs, comme la technique de visualisation, les matériaux utilisés, les entités étudiés, etc. L obtention de hautes résolutions demande des paramètres expérimentaux rigoureusement ajustés.! 18!

19 En général, la résolution verticale est supérieure à la résolution latérale. Les forces mesurées sont d environ N, mais N a déjà été rapportée.! Applications générales! L AFM est utilisé pour trois raisons principalement: Visualisation et étude de surfaces, d arrangements d atomes, de molécules et d assemblages complexes.! Atome! 19! Molécule!

20 Couple nanotube - ADN! Cellule! Nanoélectronique! La visualisation peut se faire de deux principales façons:! AFM de contact! Pour cette technique, la pointe est déposée très près de la surface, de sorte qu il y a répulsion des nuages électroniques entre la pointe et la surface. Cette répulsion est la force la plus forte pouvant être mesurée par AFM.! 20!

21 La force de répulsion est une force à très courte portée. Elle se fait sentir pour une séparation de l ordre du angström.! Cette force (surtout latérale) est responsable de la très grande résolution (angström) de l AFM en mode contact.! Expérimentalement, on garde la force appliquée sur la surface constante et on mesure la variation de la hauteur de la pointe. L inverse peut aussi être fait, mais risque d endommager davantage la surface.! 21!

22 En général, ce type de visualisation se fait pour des surfaces très dures. Il n est généralement pas approprié pour des surfaces polymères ou des échantillons biologiques.! Cette technique n est pas toujours appropriée pour la visualisation d atomes sur la surface puisque la résolution est altérée par le contact de la pointe avec la surface.! MICA! Bien que la résolution atomique soit possible dans ce mode, certaines informations peuvent être perdues.! 22!

23 Cette technique est principalement utilisée pour étudier les forces de friction, les propriétés mécaniques et pour la nanolithographie. Son utilisation est très restreinte pour la simple visualisation des surfaces.! AFM résonant! En AFM résonant, il existe deux modes d imagerie:! Dans ces deux cas, la force latérale appliquée sur la pointe est virtuellement nulle.! 23!

24 Contrairement au mode contact, les modes résonants mesures des forces faibles, principalement des forces de Van der Waals. De plus, ces forces sont attractives.! Non-contact! Dans ce mode, la pointe ne touche pas à la surface et est placée à une plus grande distance de celle-ci ( Å).! L oscillation de la pointe se fait à une valeur très proche de sa valeur de fréquence de résonance. Ainsi, lorsque la pointe frappe des obstacles sur la surface, sa fréquence, son amplitude et la phase varient. Un de ces trois paramètres est alors enregistré et une topographie de la surface peut être obtenue.! En général, l amplitude de l'oscillation est de quelques nanomètres (~ 2nm).! Avantages 24!

25 Inconvénients! 1. Dans les conditions ambiantes, il y a formation d une couche de liquide (humidité) entre la pointe et la surface. Comme l amplitude n est pas très élevée, la pointe reste prisonnière de la couche liquide et il y a création de ménisque qui change les forces mesurées. Donc, très difficile à opérer dans les conditions standards.! 25!

26 2. Moins de résolution qu en mode contact. Une bonne résolution est obtenue seulement sous UHV.! Contact intermittent (tapping mode)! Cette technique est de loin la plus utilisée en ce moment pour l imagerie AFM.! Principe similaire au mode non-contact, mais il y a quelques différences.! L amplitude est beaucoup plus grande (quelques dizaines de nanomètres). La pointe touche la surface à chaque oscillation.! Ici, c est le changement d amplitude de l oscillation de la pointe qui est mesuré et qui sert à tracer la topologie de la surface.! À ces très hautes fréquences, presque toutes les surfaces deviennent dures, réduisant ainsi l adhésion entre la pointe et l échantillon.! Avantages! 26!

27 Imagerie de phase! Dans cette technique, la topologie de la surface est tracée en mesurant le déphasage entre le signal envoyé au cristal piézoélectrique pour l oscillation de la pointe et le signal reçu par l appareil.! Ce déphasage reflète principalement la dissipation d énergie par l oscillateur en fonction des propriétés mécaniques locales de la surface.! Ex.:! Copolymère bloc! 27! Polymère cristallin!

28 La manipulation d entités nanométriques est relativement simple avec l AFM. Le mode contact et le mode résonant peuvent être utilisés. Le mode résonant est préférable pour les mêmes raisons qu énumérés dans la section visualisation.! 1. Visualisation de la surface 2. Positionnement de la pointe 3. Application d une force Fm > Fv 4. La pointe est déplacée de façon à pousser l objet sur la surface.! Dans le cas du mode résonant, la pointe est placée devant l objet et est abaissée jusqu à ce que l amplitude de son oscillation soit presque nulle.! En général, l AFM est moins utilisé pour la manipulation d objets nanométriques. Par contre, elle permet un déplacement d objets nanométriques de plus grande taille.! Ex.: Manipulation de nanoparticules de GaAs! 28!

29 Ex.: Manipulation de virus TMV (Tobacco Mosaic Virus)! De plus, l AFM peut être utilisée pour déterminer des propriétés mécaniques de systèmes nanométriques.! Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 3212.! Ex.: Propriétés mécaniques des nanotubes de carbone multiparois.! 29! v=r1ebzezsv6s!

30 Ex.: Mesure des forces des liaisons hydrogènes dans les systèmes supramoléculaires.! Ex.: Réactions chimiques sur des endroits précis de la surface.! 30!

31 Ex.: Étude des interactions à la surface des cellules.! En résumé, l AFM possède beaucoup d avantages et a un potentiel énorme pour le développement futur des nanosciences. Comme toutes les techniques toutefois, elle comporte des inconvénients.! Principaux avantages! " Permet de tracer une topologie en 3D de la surface. " La préparation de l échantillon ne requière aucun traitement chimique qui pourrait endommager la surface. " À moins d une résolution atomique, les analyses se font dans les conditions ambiantes ou dans un liquide.! Principaux inconvénients! " La surface sondée se limite à quelques centaines de micromètres (< 200 µm). " La hauteur maximale est de quelques micromètres. " Vitesse de balayage relativement lente. " Choix de la pointe est crucial.! 31!

32 2.3 Microscopie électronique à balayage (SEM)! Méthode extrêmement utilisée pour l étude des nanomatériaux et des entités microscopiques.! Pionnier: Manfred von Ardenne dans les années Première utilisation en 1950.! Cette technique est très semblable à la microscopie optique, mais utilise un faisceau d électrons plutôt que la lumière.! Comme son nom le suggère, le faisceau d électrons est balayé sur la surface. La surface ainsi bombardée émet des électrons secondaires, des électrons réfléchis et des rayons- X. Les électrons sont attirés vers une grille chargée positivement où ils sont traduits en signal pour donner des images.! Les électrons sont produits par chauffage d une cathode (W ou LaB6) et accélérés dans une anode où il sont concentrés en un pointe très précis par une série de lentilles magnétiques.! 32!

33 Détection des électrons secondaires! Cette technique est la plus utilisée.! Électrons de faible énergie ( < 50 ev).! Puisque qu il sont de faible énergie, ces électrons donnent une signature des premiers nanomètres de la surface seulement.! Avec cette technique, une résolution de 1 nm peut être atteinte.! Donne beaucoup d information sur le relief de la surface.! Détection des électrons réfléchis (ou diffusés)! Comme ces électrons sont de plus hautes énergies, cette technique permet de visualiser une surface ou un objet nanométrique avec une profondeur d environ un micromètre. La résolution peut atteindre 10 nm.! v=bfsp8r-yrw0&feature=related! 33!

34 Donne beaucoup d information sur la composition de la surface.! Détection des électrons réfléchis! Détection des électrons secondaires! Tous les échantillons non conducteurs doivent être recouverts d une mince couche de métal conducteur afin d empêcher une accumulation de charge sur l échantillon. Souvent, Au sera utilisé. Les analyses doivent être faites sous ultra-haut vide. Tous les échantillons susceptibles de dégager de l eau lorsque soumis à un bombardement électronique doit être séchés ou cryogénisés. Il est maintenant possible de faire des analyses SEM aux conditions presque ambiantes (1-50 torr et 100% d humudité). Ceci est très utile pour les échantillons biologiques.! 34!

35 Le SEM permet d étudier un nombre important de propriétés des matériaux:! Squelettes de protozoaires! Insectes! Céramiques mesoporeuses! Pointe d AFM portant un NTC! Nanotubes de carbone! 35!

36 2.4 Microscopie électronique à transmission (TEM)! Cette technique est semblable en plusieurs points au SEM. Il s agit encore une fois d utiliser un faisceau d électrons pour étudier des objets à l échelle du nanomètre.! La différence avec le SEM est que le TEM produit une image en utilisant les électrons qui n ont pas été absorbés par l échantillon et non avec les électrons ré-émis après bombardement.! Ainsi, l échantillon doit être de 1 µm d épaisseur au maximum. Pour une meilleure résolution, quelques nanomètres est préférable (moins de diffusion).! Les électrons sont produits par chauffage d une cathode (W ou LaB6) et accélérés dans une anode (condenseur). Comme pour le SEM, des matériaux ayant des points de fusion élevés doivent être utilisés.! 36!

37 L énergie des électrons est très élevée ( kev).! Pour une plus grande résolution (HRTEM), les électrons sont produits par un champ électrique intense (1 kv) appliqué sur une pointe de W (0,1 µm). Les électrons sont alors éjectés par effet tunnel.! Comme pour le SEM, des lentilles électromagnétiques sont utilisées pour diriger les électrons et avoir un bon focus.! Après avoir passé à travers l échantillon, le faisceau d électron est dirigé vers une plaque photographique qui traduit les électrons reçus en différents points en image réelle.! L image générée est seulement le résultat de l interaction de l échantillon avec les électrons. Comme certaines zones absorbent plus les électrons que d autres, nous auront un signal noir et blanc.! Pour les matériaux organiques, les contrastes ne sont souvent pas très bons. Pour les augmenter, l échantillon sera taché avec un composé contenant un métal lourd. Dans la majorité des cas, le OsO4 est utilisé.! 37!

38 Il y a deux modes de fonctionnement: le mode direct et le mode diffraction.! Dans le mode direct, seuls les électrons non-diffractés sont reçus par la plaque photographique. Ceci est contrôlé par la largeur de fente de l objectif. C est par cette technique que les meilleurs contrastes et résolutions sont obtenus.! Mode direct! Mode de diffraction! 38!

39 Dans le mode diffraction, l ouverture de la fente est réglée afin de permettre aussi aux électrons diffractés d être détectés par la plaque photographique. L ouverture de la fente peut être réglée, mais également sa position.! Le mode diffraction permet d étudier des zones cristallines de quelques nanomètres à l intérieur de différents matériaux (loi de Bragg). Toutefois, la résolution atteinte avec ce mode est moindre qu en mode direct.! Tout comme en SEM, toutes les mesures se font sous UHV. Toutefois, la préparation est beaucoup plus compliquée que dans le cas du SEM, surtout pour l ajustement de l échantillon. Ainsi, les échantillons doivent répondre à plusieurs critères: Pas de trace d eau ni de composé volatile. Ne doit pas être affecté par le UHV. Doit être stable sous un flux intense d électrons. Doit avoir des régions plus transparentes aux électrons que d autres. La taille de l échantillon doit être appropriée pour le type d'appareillage.! La résolution du HRTEM (0,2 nm) est supérieure à celle obtenue avec un SEM (1 nm).! 39!

40 Exemples d applications! Fullerènes à l intérieur d un nanotube de carbone! Paquet de nanotubes de carbone simple paroi! Nanocoil de carbone! Différents types de nanotubes de carbone! 40! Virus de l influenza!

41 200! 80! 15! 15! 500! 65! Points quantiques (TEM)! 20! 25! Points quantiques (HRTEM)! Morphologie de films polymère! Nanoparticules d or! 41!

42 2.5 Techniques conventionnelles appliquées aux nanosciences! Plusieurs techniques de caractérisation des molécules et des matériaux peuvent être appliquées aux domaines des nanosciences. Ce sont souvent ces techniques qui seront utilisées avant les techniques plus complexes pour faire une étude préliminaire des systèmes nanométriques.! Voici quelques exemples significatifs:! Spectroscopie IR! La spectroscopie IR est très utilisée surtout pour l analyse des monocouches sur des surfaces.! Plusieurs acronymes existe pour cette technique: RAIRS, IRRAS, FT-IRAS.! Reflection-Absorption IR Spectroscopy.! Peut être utilisée comme méthode qualitative et quantitative.! 42!

43 Généralement, les expériences sont menées sur des films minces ou monocouches déposées sur des surfaces miroirs (métalliques). Dans certains cas, elles peuvent être menés sur des semi-conducteurs, du verre ou l eau.! Parmi les applications les plus connues, notons l analyses des SAM, de la modification de surface, des protéines et des polymères.! Avantages principales de cette technique:! Inconvénients principales de cette technique:! 43!

44 2.5.2 Électrochimie! L électrochimie est une technique utilisée depuis très longtemps pour étudier un grand nombre de propriétés.! Dans une cellule électrochimique, une espèce électroactive en solution dans une solution électrolytique est oxydée ou réduite en appliquant une différence de potentiel entre l anode et la cathode. Le type de graphique suivant est alors obtenu:! Cette technique est très sensible et peut donc être utilisée sur des surfaces.! Plusieurs paramètres peuvent donc être étudiés:! 1. La quantité d espèce active par unité de surface.! 44!

45 2. Le type d absorption d espèces électroactives sur la surface.! Molécules chimisorbées! Molécules physisorbées! Le graphique de I en fonction de v varie beaucoup en solution.! 45!

46 3. Permet de faire des réactions sur des endroits précis de la surface.! J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 1794.! 46!