Microscopie à force atomique (AFM)

à force atomique (AFM) par Jean-Claude RIVOAL Professeur émérite à l université Pierre-et-Marie-Curie Laboratoire d optique physique (CNRS UPR A5) et Christian FRÉTIGNY Directeur de recherche CNRS, laboratoire de physico-chimie des polymères et milieux dispersés (CNRS UMR 765). Instrumentation et modes de fonctionnement... R394 2. Microscope... 2.2 Modes de fonctionnement... 4.3 Analyse des modes de fonctionnement... 6 2. Applications... 2. Propriétés locales... 2.2 Nanotechnologies... 5 3. Conclusion... 7 Pour en savoir plus... Doc. R 394 L a microscopie à force atomique (AFM : «atomic force microscopy») a été introduite en 986 par G. Binnig, C.F. Quate et C. Gerber [], comme une application du concept de microscope à effet tunnel (STM : «scanning tunneling microscope») [R 6 74] permettant l étude de surfaces de matériaux isolants à l échelle atomique. En combinant les principes du microscope à effet tunnel et du stylet profilométrique, les auteurs démontraient la possibilité d imager, à l air libre, la surface d échantillons conducteurs ou non, avec une résolution latérale de 3 Å et une résolution verticale inférieure à Å. La technique a, depuis lors, été adaptée à différents environnements tels que le vide, le milieu liquide, les basses températures, les champs magnétiques et aussi pour des applications en chimie ou en biologie. L AFM est basée sur la mesure des forces entre un fin stylet et la surface étudiée. Le capteur de force est un ressort-lame (stylet) encastré à une extrémité et muni d une pointe à l autre extrémité, il est encore appelé «cantilever». Les forces d interaction modifient la déflection ou la torsion statique ou oscillante du stylet. La mesure des déformations du «cantilever» dans les microscopes de force actuels s effectue, le plus souvent, grâce à la déviation d un faisceau lumineux («diode laser») réfléchi par l extrémité du stylet, méthode proposée dès 988 par G. Meyer et N. Amer [2]. Le développement de cette méthode de sonde locale a été rapide aussi bien dans les laboratoires universitaires qu en milieu industriel. Des tâches de contrôle sur des lignes de production sont couramment effectuées à l aide de ce dispositif relativement simple à mettre en œuvre. La majorité des utilisateurs cherche à obtenir des formes ou des tailles caractéristiques de la surface ; en balayant l échantillon sous le «cantilever», on obtient l image AFM recherchée. Mais on s est très vite aperçu qu il était possible avec le même instrument de proposer des situations originales de «physique au nanomètre». Techniques de l Ingénieur R 394

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM) Dans une première partie, l instrumentation est décrite et les différents modes de fonctionnement (contact, résonnant, «tapping», frottement ) sont présentés de façon générale. En insistant sur les potentialités de l instrument, on explicite les fondements des principales méthodes utilisées, sans être exhaustif. Dans une seconde partie, des applications physiques dans divers domaines sont présentées.. Instrumentation et modes de fonctionnement. Microscope Un schéma typique des microscopes de force est présenté sur la figure. Une pointe miniature, fixée à l extrémité d un cantilever, est proche de la surface d un échantillon placé sur une platine de déplacement (balayage XYZ). Le déplacement relatif de la pointe par rapport à l échantillon donne soit une cartographie de la grandeur mesurée, soit une surface d «isograndeur», si une boucle d asservissement ajuste la hauteur de l échantillon pour maintenir constante la grandeur mesurée. Nota : le terme anglais cantilever désigne une pointe suspendue en porte à faux. La déflection ou la torsion du ressort sous l effet de la force d interaction est mesurée par la déviation d un faisceau laser réfléchi par l extrémité du cantilever et collecté sur une diode photoélectrique segmentée (deux ou quatre cadrans). Une pointe AFM peut être statique ou mise en mode oscillant. Dans ce dernier cas, on peut faire vibrer le cantilever grâce à une pastille piézo-électrique en contact avec son support. Un exemple particulier de fixation de cantilever est présenté sur la figure 2. Par ailleurs, une cale piézo-électrique permet d ajuster finement la distance pointe-échantillon et est utilisée pour asservir l amplitude de vibration du cantilever. Sensible aux gradients de température, la pointe peut aussi être utilisée comme calorimètre. Suivant la configuration adoptée, on distingue trois modes de fonctionnement principaux pour l AFM : statique (continu), dynamique (oscillant) ou thermique. La force d interaction peut être due aux forces répulsives entre les atomes de la pointe AFM et ceux de la surface, à des forces de Van der Waals à courte portée, à des forces capillaires, au frottement, à des processus magnétiques ou électrostatiques si la pointe est conductrice ou recouverte de matériau magnétique, à des processus catalytiques, etc. Une modification chimique de la pointe AFM permet ainsi de mesurer diverses propriétés de la surface d un échantillon. Grâce à une boucle d asservissement, on peut obtenir des images de «hauteur», qui correspondent à une interaction mécanique constante. Donnant, en première approximation, des résultats fidèles à la topographie de l échantillon étudié, cette méthode fournit donc des informations difficiles à obtenir par d autres techniques de microscopie. Elle permet, de plus, de : sonder le module viscoélastique d une surface ou ses propriétés tribologiques (frottement) et/ou adhésives ; caractériser les forces d interaction hors contact entre la pointe et l échantillon. Bien que l AFM ait été destinée au départ, grâce à son excellente résolution latérale et transversale, à l imagerie des surfaces de matériaux non conducteurs, la technique a été adaptée à divers environnements physiques tels que le vide, les fluides, les basses températures et les champs magnétiques mais aussi aux applications chimiques, optiques, biologiques et métrologiques. Une illustration de ces différents modes, appliqués à la détection mécanique, physico-chimique, magnétique, etc., est représentée sur la figure 3... Cantilever et pointe Le cantilever et la pointe constituent une partie essentielle de l instrument. En raison de la complexité de leur fabrication, les cantilevers sont en général achetés auprès de sociétés commerciales, bien que quelques équipes utilisent avec succès des fils de tungstène recourbés et dont l extrémité a subi une attaque chimique. Figure Principe du microscope de force z x Diode photoélectrique segmentée y Pastille piézo-électrique Pointe Échantillon Platine de translation xy e Laser Cantilever et pointe Balayage XYZ Lame ressort en chrysocale Collage au salol Levier Échantillon Portepointe Ressort Cale piézo-électrique Figure 2 Exemple particulier de fixation de cantilever (d après [3]) e R 394 2 Techniques de l Ingénieur

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM) Mode statique (contrainte de surface) Mode dynamique (microbalance) Mode thermique (température) A B Diffusion dans les polymères Thermogravimétrie Réaction catalytique a Budget Sensors b Advanced TEC de NanoSensors Figure 4 Cantilevers usuels microfabriqués commerciaux Reconnaissance biomoléculaire Biochimie Calorimètre Figure 3 Modes de fonctionnement de l AFM et applications (d après IBM) Plusieurs caractéristiques sont recherchées : extrémité de pointe très fine (quelques nanomètres) pour une bonne résolution latérale ; fréquence de résonance (quelques dizaines de kilohertz) grande devant les fréquences caractéristiques d acquisition ; raideur déterminée : faible (~, N.m pour une bonne sensibilité en force ou pour éviter d endommager la surface en mode contact) ou forte (~ N.m pour des expériences de nanoindentation). Ces contraintes imposent une miniaturisation du cantilever.... Réalisation pratique Pour obtenir de tels objets, on utilise en général des techniques de fabrication issues de la microélectronique (gravure, attaque chimique ). Les dispositifs ainsi réalisés sont donc, le plus souvent, en silicium ou en nitrure de silicium, matériaux couramment mis en œuvre par ces techniques. Pour des expériences d indentation, de rayure ou des mesures de résistance de contact, on utilise parfois des pointes de diamant de profil particulier. Réalisations commerciales : la figure 4 présente des cantilevers usuels microfabriqués et deux images en microscopie électronique à balayage (MEB) de la pointe associée. La figure 4a montre un exemple de cantilever de chez Budget Sensors TM, partant de la matrice de cantilevers (4 e quadrant) ; dans les quadrants et 2, le stylet muni de sa pointe, puis un détail de la pointe (3 e quadrant), et enfin au centre une image MEB de l extrémité de la pointe. La figure 4b montre une nouvelle pointe AdvancedTEC de NanoSensors TM dont l extrémité tétraédrique dépasse l extrémité du levier pour permettre un réglage plus aisé. La longueur des cantilevers est de ou 2 µm, leur épaisseur est d une fraction de micromètre. Leur forme est soit rectangulaire, soit en forme de V. Les raideurs sont, suivant les géométries, comprises entre, et quelque N.m. Les pointes ont en général un rayon de courbure typique dans la gamme de 2 à 5 nm. Réalisations de laboratoires de recherche : la figure 5 montre une image MEB de l extrémité d une pointe en tungstène couramment utilisée dans les laboratoires de recherche pour effectuer des mesures AFM couplées à des mesures de microscopie optique en champ proche [4] [P 862] [R 6 74]. La tige de tungstène a un diamètre voisin de,3 µm, elle est affinée à son extrémité par attaque chimique et ensuite courbée pour être utilisée. Figure 5 Pointe en tungstène...2 Pointes spéciales Les propriétés électriques des surfaces sont obtenues à l aide de pointes rendues conductrices par le dépôt d une couche métallique, et les propriétés magnétiques à l aide de pointes aimantées ou bien à l extrémité desquelles est fixée une particule magnétique. Des techniques chimiques autorisent la modification de la physico-chimie de la pointe (greffage, couches autoassemblées ). Pour résoudre les problèmes liés à l encombrement stérique de la pointe dans l étude d échantillons présentant des structures profondes et de faible largeur, un nanotube de carbone peut être attaché à l extrémité d une pointe (figure 6). Ce nanotube se présente comme une pointe de rayon constant et petit (quelques nanomètres) mais de longueur élevée (de l ordre du micromètre). Il possède de plus une durée de vie plus élevée que les pointes conventionnelles [5] [6]. La résolution latérale peut être notablement améliorée [7]...2 Acquisition des signaux..2. Conditions de fonctionnement Simple et d encombrement réduit, l AFM peut être utilisé sous vide, sous atmosphère contrôlée ou en milieu liquide. Il est cependant nécessaire de prévoir une bonne isolation du son et des vibrations. Suivant les situations et les performances recherchées, un caisson acoustique, une table de balance ou une table optique sont nécessaires. Des tables suspendues sont parfois utilisées. Pour le travail en milieu liquide, l échantillon et le cantilever baignent dans le milieu. Des cellules spéciales pour liquides sont proposées par la Techniques de l Ingénieur R 394 3

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM) α C, C Van der Waals J D A, A B Z éch Figure 6 Nanotube de carbone à l extrémité d une pointe S Adhérence plupart des fabricants. Elles sont plus ou moins faciles d emploi suivant les cas. Des difficultés peuvent apparaître pour des milieux agressifs ou d indice de réfraction élevé. Figure 7 Courbe de force Aller Retour..2.2 Influence du bruit thermique Une bonne stabilité thermique et hygrométrique est nécessaire pour éviter les dérives : certains cantilevers sont recouverts d une couche réfléchissante métallique, ce sont donc des bilames très sensibles aux variations des conditions ambiantes. Cette propriété est utilisée dans certaines situations pour détecter des réactions catalytiques. De la même façon, les dilatations des pièces qui forment la tête AFM peuvent être gênantes. Il n est en général pas nécessaire de travailler dans une enceinte régulée, mais quelques précautions élémentaires sont souvent utiles...2.3 Taille des données relatives à l acquisition des images Il convient de rappeler la taille des données recueillies quand on acquiert des images. L AFM a une résolution latérale typique de l ordre de quelques nanomètres. Si on désire enregistrer une image AFM, de topographie de surface, par exemple de µm µm, avec un pas de déplacement (en x ou y) de la platine porteéchantillon de nm, la dimension de l image est de 8 pixels. Comme chaque pixel est codé sur deux octets, pour traduire la tension enregistrée sur la photodiode à quatre quadrants et restituer la topographie, l image obtenue représente 2 Mo, soit typiquement un quart de la capacité d un CD actuel! Un compromis doit donc être trouvé entre le pas de déplacement, qui fixe la résolution de l image, et la taille de la zone imagée. Des images de 52 pixels 52 pixels, codées sur deux octets, occupent plus de,5 Mo. Sur des images de ce type représentant un champ de µm, la taille du pixel est d environ 2 nm..2 Modes de fonctionnement Selon que la pointe est en contact avec la surface ou non, qu elle travaille à la résonance du cantilever ou à fréquence nulle, ou bien que l échantillon vibre ou non, on obtient des modes opératoires et d imagerie différents..2. Modes contact et frottement.2.. Courbes de force Les courbes de force peuvent être obtenues expérimentalement avec l instrument présenté sur la figure. Sans faire vibrer le cantilever, on fait varier la position verticale (z) de l échantillon et on enregistre les déflections du cantilever. Une courbe schématique est montrée sur la figure 7 : on y a porté la déflection du stylet (α) en fonction de la hauteur de l échantillon (Z éch ). On remarque que les trajets aller vers le contact (de droite à gauche) et rupture du contact (de gauche à droite) sont différents. À l aller : loin de la surface, les forces d interaction sont très faibles, la déflection du cantilever est quasi nulle, c est la partie horizontale à droite (aller AJ et retour D A ). Dans le vide, dans l air et dans certains liquides, l interaction pointe-surface est attractive et conduit à une légère déflection du cantilever (vers le bas, ou négative) à l approche de la surface. L instabilité correspondante se traduit par le saut vertical JB visible sur la courbe aller. Si l on continue de rapprocher de la pointe l échantillon supposé très rigide, la déflection croît linéairement avec la hauteur de l échantillon sur le trajet BC. (La flèche à l extrémité d une poutre encastrée et la déflection au même point sont en effet proportionnelles.) Cette partie permet l étalonnage des forces appliquées : déflection flèche force appliquée par l intermédiaire de la raideur. Au retour : la courbe de force, sur le trajet C S, commence par suivre le même chemin qu à l aller, mais dépasse la position de force nulle ou même celle de la limite du saut au contact à cause de l adhésion. Il faut en effet tirer sur le contact pour le rompre. Tant que le point de rupture n est pas atteint, la trajectoire est dans le prolongement de la droite caractéristique du contact. Quand le point de rupture S est atteint, le cantilever reprend la position très faiblement défléchie en D à cause des forces interfaciales hors contact. L adhésion se manifeste ici par une hystérésis sur la courbe de force. Elle provient de nombreux facteurs : forces de Van der Waals, bien sûr, mais aussi forces capillaires, électriques dans les liquides. Elles sont alors affectées par le ph, la force ionique La courbe de force peut être considérée comme une mesure de l adhérence. Il s agit de la manifestation de l adhésion dans un cadre expérimental donné. D après ces remarques, on conçoit que l AFM soit sensible aux propriétés physico-chimiques des surfaces. R 394 4 Techniques de l Ingénieur

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM) Sur un échantillon peu rigide, à partir du moment où le contact est établi, la pointe est pressée contre le matériau par l élasticité du cantilever. Elle peut alors s enfoncer dans l échantillon (indentation) et la déflection enregistrée est inférieure à celle qui serait obtenue sur un échantillon infiniment rigide. Si, de plus, l échantillon est viscoélastique, la courbe se déforme quand on modifie la fréquence de travail, la forme de la pointe ou la pénétration maximale dans le matériau.2..2 Équilibre du cantilever Remarquons tout d abord que l axe du cantilever n est pas parallèle au plan de balayage, l angle d inclinaison est classiquement compris entre et 5. La résolution des équations de la mécanique, relatives à l équilibre de la poutre, permet d exprimer la flèche z, la déflection α et la torsion ϕ du cantilever à son extrémité (encadré ). Encadré Équilibre du cantilever L axe du cantilever n est, en général, pas parallèle au plan de balayage, l angle d inclinaison étant classiquement compris entre et 5. Cette disposition est obligatoire car il est nécessaire de disposer d un système de maintien pour le cantilever qui ne vienne pas toucher l échantillon. Les forces normale et tangentielle, appliquées en bout de pointe, sont notées N et T x (figure 8). Le cantilever est une poutre semi-encastrée. En pratique, les déformations qu il subit sont suffisamment petites pour qu une description linéaire soit amplement suffisante. La résolution des équations de la mécanique, relatives à l équilibre de la poutre, permet d exprimer, en utilisant ses conditions d encastrement, la flèche z, la déflection α = dz /dx et la torsion ϕ du cantilever à son extrémité. En appelant k n et k α, les raideurs normales et longitudinales associées à un déplacement de la pointe suivant z, et s n, s tx et s ty les sensibilités angulaires aux forces normale, longitudinale et transversale, on obtient, compte tenu de la linéarité du problème : N Tx z = ------ + --------- k n k tx Pour décrire le fonctionnement de l AFM, on rapporte ces grandeurs à un repère lié à l échantillon, les raideurs et les sensibilités angulaires devenant des valeurs effectives liées la géométrie du système. z z α = s tx T x + s n N ϕ = h T x T y = T y Tx N N L s ty T y Figure 8 Géométrie du système cantilever-pointe-échantillon θ x x Le fonctionnement en mode asservi est caractérisé par α = Cte. La déflection de consigne est choisie sur la courbe de force, elle correspond a priori à une charge normale appliquée. Pourtant, suivant la direction de balayage et la rugosité de l échantillon, les propriétés tribologiques de la surface interviennent dans les mesures. Pour le cantilever, il y a donc un couplage entre les trois composantes de forces et la topographie de l échantillon. Il serait vain de décrire tous les effets de ce couplage décrits par de simples arguments géométriques. L incidence sur les mesures est faible à grande échelle ou si l on ne s intéresse qu aux ordres de grandeur des contrastes. Pour des estimations plus précises des hauteurs, il est souvent nécessaire d évaluer l effet du couplage en modifiant la direction du balayage ou la force normale utilisée..2.2 Présentation générale des principaux modes de l AFM Supposons l échantillon constitué d un matériau indéformable et choisissons une représentation de l interaction pointe-surface (de type Lennard-Jones) comme celle représentée sur la courbe de la figure 9. Mode contact (.3.) : premier mode développé, il correspond à un fonctionnement au voisinage du mur répulsif du potentiel. La pointe «touche» la surface comme dans un dispositif palpeur. La discussion précédente (.2..) montre qu il est possible de travailler avec des forces appliquées négatives, à cause de l adhésion. Sur certains échantillons, l usure et les déformations engendrées par la pointe perturbent la qualité des images. Ce mode est cependant facile à utiliser, rapide et il est souvent couplé à des mesures simultanées de frottement, d adhérence ou de raideur de contact. Mode résonnant (.3.2), ou mode résonnant linéaire : dans ce fonctionnement, on fait osciller le cantilever à sa fréquence de résonance, «loin» de la surface et avec une «petite» amplitude (ordres de grandeur au paragraphe.3.2). Le gradient de force d interaction, fonction de la localisation sur la surface, décale la fréquence de résonance du cantilever. Inversement, à fréquence d excitation donnée, l amplitude des oscillations est modifiée et renseigne sur le gradient de force local. Un système de détection synchrone améliore généralement la qualité des enregistrements. On peut aussi, avec un système électroniquement bouclé, mesurer en continu la fréquence du système. La pointe oscillant relativement loin de la surface, ce mode perd un peu des qualités de sonde locale et n est en général pas utilisé pour les études de topographie, mais il permet l analyse de forces à longue portée, électriques et magnétiques, en utilisant des pointes conductrices ou magnétiques. Pour s affranchir des effets de corrélation des informations recueillies avec la topographie, il est souvent nécessaire d effectuer ligne par ligne, un premier balayage en mode tapping, avant de «survoler» l échantillon à hauteur constante. Mode tapping (.3.2.2), ou contact intermittent : c est un mode résonnant non linéaire, dans lequel les amplitudes d oscillation sont plus grandes et la position moyenne de la pointe plus proche de la surface. À chaque cycle, la pointe vient effleurer le mur répulsif de la surface. Le fonctionnement dans ce mode est plus difficile à analyser que le précédent. Ici encore, on excite le cantilever au voisinage de fréquence de résonance et on suit, éventuellement avec une détection synchrone, la réponse du système. Ce mode est très utilisé pour connaître la topographie des échantillons. Les forces appliquées sur l échantillon peuvent être très réduites et le temps de contact très court n induit pratiquement pas de forces de frottement sur l échantillon. On évite ainsi les déformations de certains échantillons et l usure toujours possible en mode contact. De plus, à cause de la brièveté du contact (inférieure à la microseconde), l adhésion n a pas le temps de se développer. Les dimensions du contact sont réduites même sur des échantillons très déformables, conférant à ce mode une bonne résolution latérale. Quand la hauteur de l échantillon est asservie à une amplitude constante, la phase du système Techniques de l Ingénieur R 394 5

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM) Force (u.a.) 3 2 Contact Résonnant h Position fixe Surface Figure Géométrie de l interaction pointe-surface 2 Tapping 3 2 4 6 8 Z éch (u.a.) Figure 9 Courbe d interaction pointe-surface : modes de l AFM sans que l on s intéresse particulièrement aux propriétés de dissipation ou tribologiques pour elles-mêmes. Les formes et les tailles révélées par les contrastes sont utilisées directement. Il n est alors pas nécessaire d étalonner l instrument ou de disposer de modèles définis de fonctionnement. Pour éviter certains artefacts expérimentaux ou pour obtenir des mesures quantitatives, en revanche, il est nécessaire d analyser plus finement le fonctionnement de ces différents modes. A C B D Photodiode à quatre quadrants Figure Mode frottement ou contact (A + B) (C + D) : topographie (A + C) (B + D) : frottement est caractéristique des dissipations du système. Les images de phase sont souvent assez différentes des images de hauteur, elles peuvent révéler de légères hétérogénéités des surfaces correspondant à des propriétés viscoélastiques ou de mouillage différentes. Mode frottement (FFM : friction force microscopy ; LFM : lateral force microscopy) : en mode contact, on peut effectuer les balayages de l échantillon perpendiculairement à l axe du cantilever. Dans ce cas, les forces de frottement introduisent une torsion de l extrémité du levier et déplacent donc le spot laser dans le plan horizontal (figure ). La lecture de ce déplacement est une mesure des forces de frottement, qui peut être absolue si l on a étalonné l appareil. Mode élasticité : pour présenter les autres modes, on peut revenir à la courbe de force (figure 7). On a vu que la pente de la courbe après contact était caractéristique de la raideur du contact. Ainsi, si en mode contact on impose une modulation périodique de la hauteur de l échantillon, la réponse en déflection à la fréquence de modulation est une mesure de cette raideur. Mode pulsé (pulsed mode) : de la même façon, on peut imposer une modulation périodique qui permette le passage par le pic négatif caractéristique de l adhérence. La mesure des caractéristiques du signal de déflection obtenu est une signature de l adhérence. On peut aussi enregistrer l ensemble de la courbe de force en chaque point de l image pour la traiter ensuite, mais la grande quantité d information correspondante rend la méthode lourde d emploi. Il est plus judicieux de ne conserver que les caractéristiques essentielles des courbes par un traitement du signal approprié. Une caractéristique importante de tous ces modes de fonctionnement est qu ils peuvent souvent être utilisés au même point de l échantillon, sans changer de levier et parfois même simultanément. Bien souvent, une image en phase ou en frottement, par exemple, jointe à une image en hauteur révèle des détails suffisants pour comprendre la structure physico-chimique d un échantillon.3 Analyse des modes de fonctionnement.3. Modes contact et frottement Le mode contact est très utilisé en parallèle avec une imagerie des frottements ou de l élasticité du contact, bien qu il conduise parfois à des déformations des surfaces ou même entraîne une usure sur certains échantillons..3.. Analyse statique Supposons l interaction pointe-surface représentée par un potentiel V( ), le cantilever par sa raideur normale k et que nous travaillions en statique. La géométrie est représentée sur la figure, où h est la distance cantilever-surface et la distance apex de la pointe-surface. L énergie du système s écrit : Pour une hauteur h fixée, la condition d équilibre est : Soit la force d interaction : La stabilité impose : soit : Uh, ( ) = V( ) + --k( h ) 2 2 U dv ------- = ------- kh ( ) = d F( ) = kh ( ) = ------- dv d 2 U ---------- 2 d k ------ dv ------- d d d = ------- ( F) d Une résolution graphique du problème peut être faite en choisissant une force d interaction de type Lennard-Jones. Le faisceau de droites de la figure 2 correspond aux différentes hauteurs h de l échantillon. Les points noirs sont des points d équilibre stable R 394 6 Techniques de l Ingénieur

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM) F ( ) k ( h) a déformation du défaut b trajet de la pointe Figure 3 Résolution latérale : influence d une marche sur le déplacement de la pointe kh Figure 2 Évolution de la force d interaction au cours d un cycle d approche-retrait possibles. Les points blancs sont des situations d équilibre neutre, limites de stabilité. Entre les deux points blancs, existent sur la courbe des points d équilibre instable. Dans le cas présenté, il y a hystérésis quand on parcourt le cycle d approche-retrait. À l approche, le point de fonctionnement du système suit la branche attractive du potentiel jusqu à la limite de stabilité où il saute brusquement sur la branche répulsive : c est le «saut au contact». Au retrait, cette branche est suivie plus loin avant un nouveau saut qui est lié à la rupture de l adhésion. Une partie de la courbe d interaction n est pas décrite. On peut remarquer que l amplitude du saut est d autant plus grande que la raideur du cantilever est faible. Au-delà d une certaine raideur, en revanche, l hystérésis disparaît et la totalité de la courbe d interaction est décrite. C est aussi le cas pour une interaction purement répulsive. Si l on cherche à mesurer l ensemble de la courbe d interaction, il faut utiliser un levier suffisamment raide pour éviter les effets de saut, mais la sensibilité de la mesure est alors moins bonne. La hauteur initiale h est en général mal connue et la force d interaction pointe-surface F( ) n est pas forcément de type Lennard- Jones comme celle de la figure 9. Des modèles plus élaborés ont été utilisés pour décrire l interaction interfaciale mais le principe reste le même..3..2 Résolution latérale Supposons que l AFM fonctionne en mode contact comme un palpeur parfait sur une surface indéformable. On néglige les effets de frottement discutés ci-avant et la topographie de la surface est supposée plane hormis une marche abrupte. Quelle est la résolution de ce mode d imagerie? Les schémas de la figure 3 montrent le trajet d une pointe AFM au cours d un balayage en ligne rencontrant une marche. L élargissement et la déformation de la forme de l objet sont dus à l encombrement de la pointe. La pointe ressent la présence de la marche avant que son apex ne soit à la verticale du bord de marche. Le point de contact pointesurface reste le bord de marche jusqu à ce que la pointe passe par la verticale du bord de marche et l image se fait avec les flancs de la pointe. Au-delà, la trajectoire devient à nouveau dictée par un contact entre l apex de la pointe et la surface. La représentation faite ici est bidimensionnelle, il faut remarquer qu en trois dimensions, d autres situations de tangence pointe-échantillon peuvent se produire suivant le même principe. Figure 4 Surface de mica (2,6 nm 2,6 nm) recouverte d une solution aqueuse de protéines Pour d autres modes de fonctionnement, le principe exposé reste valable : l encombrement stérique limite souvent la résolution de l instrument. Il n est pas possible de définir la résolution en AFM de contact par un nombre. L effet d encombrement est d autant plus grand que la pointe est émoussée et de rapport d aspect faible. Il affecte principalement les résultats obtenus sur les surfaces présentant de brutales variations de hauteur. Toutefois, une résolution latérale meilleure que,5 nm a été obtenue sur une surface de mica recouverte d une solution aqueuse de protéines [8]. La figure 4 montre une image (2,6 nm 2,6 nm) d une telle surface. Elle révèle des anneaux blancs d atomes entourant des trous noirs qui forment un réseau quasi hexagonal caractéristique du mica clivé. La résolution latérale est ici de l ordre de,4 nm. Il faudrait compléter l analyse en tenant compte de la taille finie du contact : on ne peut plus, à petite échelle, considérer les matériaux constituant la pointe et l échantillon comme indéformables. De ce point de vue, l existence d images «à la résolution atomique» enregistrées en mode contact (comme dans l exemple du mica ciavant) peut paraître paradoxale. Comment, avec un rayon de contact que l on peut estimer de l ordre du nanomètre, peut-on imager de atomes distants du dixième de cette valeur? Le mécanisme d imagerie à cette échelle est différent de celui d un palpeur que nous avons décrit. La présence d un frottement saccadé (stickslip) à l échelle de la maille du cristal serait responsable de la périodicité des contrastes. Une preuve indirecte peut se trouver dans le fait que des défauts ponctuels n ont sans doute jamais été observés en mode contact..3..3 Mode frottement La mesure de la force latérale se fait directement grâce à la torsion ϕ du cantilever détectée comme un déplacement du spot laser dans le plan horizontal. L interprétation précise des images de frottement nécessite de tenir compte de la topographie. Toutefois, l image de frottement peut se révéler bien plus riche en information que l image topographique. Techniques de l Ingénieur R 394 7

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM).3..4 Pointes fonctionnalisées On peut recouvrir la pointe de molécules possédant des groupements fonctionnels particuliers et étudier point par point l adhérence. La reconnaissance chimique qui en découle permet de cartographier les fonctionnalités de la surface [9]. Plus récemment, des nanotubes de carbone ont été collés à l apex d une pointe AFM (...2). La préparation et la caractérisation de nanotubes de carbone fonctionnalisés est montrée sur la figure 5. Le diagramme illustre la modification de l extrémité du nanotube permettant de coupler une amine (RNH 2 ) à une liaison pendante d un groupe carboxyle puis l utilisation de cette sonde pour détecter des interactions spécifiques avec les groupes fonctionnels (X) du substrat. Le grand cercle présente un modèle moléculaire de la paroi d un nanotube simple (monofeuillet) avec le groupe carboxyle (COOH) à son extrémité. En règle générale, on utilise des nanotubes multifeuillets (plusieurs nanotubes enfilés les uns dans les autres), euxmêmes reliés pour former un faisceau. Ce faisceau est collé, sous microscope, à la pointe AFM (cantilever en silicium recouvert d un film d or) à l aide d un adhésif acrylique. L image par microscopie électronique en transmission (MET) de l extrémité du faisceau est montrée sur la gauche de la figure..3.2 Modes résonnants Le cantilever, une poutre encastrée, est un bon oscillateur mécanique. Dans la plupart des cas, le spectre de résonance du cantilever loin de la surface est pratiquement confondu avec celui d un oscillateur harmonique, caractérisé par une fréquence de résonance et un facteur de qualité. Les dissipations du système sont principalement liées à la viscosité du milieu et sont en général très faibles. On observe couramment des facteurs de qualité Q (tel que défini dans l encadré 2) de 4 à l air, plusieurs dizaines de milliers sous ultravide ( Pa) et de dans l eau. nm COOH R = R = a nanotube fonctionnalisé H 2 N formation de la liaison amide CH 2 CH 2 CH 2 NH 2 Figure 5 Préparation et caractérisation d un nanotube de carbone fonctionnalisé R HN CO R XXXXXXXXXX b caractérisation.3.2. Principe Encadré 2 Mode résonnant linéaire L équation qui rend compte du système s écrit : avec x la coordonnée de position de l oscillateur, ici l écartement de la pointe par rapport à sa position d équilibre, β ω = f[ x() t ] x 2 + 2β x () t + ω x = f[ x() t ] + S sinωt k ---- m un terme de dissipation (le facteur de qualité ω est Q = ------ ), 2β où k est la raideur du cantilever et m sa masse, la force d interaction pointe-surface, S l amplitude de l excitation à la fréquence ω. Le cas le plus simple est celui dans lequel la force d interaction ne dépend que de la distance pointe-surface, h + x. Les comportements sont plus complexes si des phénomènes dissipatifs d adhésion, de viscoélasticité ou de capillarité sont à prendre en compte. Même dans le cas simple où f [x(t)] f [h + x], l équation du système est en général non linéaire : x 2 + 2β x () t + ω x = f[ h+ x] + S sinωt Le mode résonnant linéaire correspond à une interaction non dissipative et à une oscillation de faible amplitude, loin de la surface (x << h). Un développement de l interaction au premier ordre en x, de l équation précédente donne : x 2 + 2β x () t + ω x S sinω t + f[ h] + f [ h]x où f [h] est le gradient de force à la position centrale d oscillation. f [h], le terme constant, correspond à un décalage de la position de repos de la pointe qui est en général négligeable devant l amplitude d oscillation x. On obtient alors l équation : x 2 + 2βx () t + ( ω f [ h] )x S sinωt x qui correspond à un oscillateur harmonique de fréquence de 2 2 f résonance ω ω [ h ] = -------------. 2 ω Les forces interfaciales étant décroissantes avec la distance, une interaction attractive (resp. répulsive) conduit à une diminution (resp. une augmentation) de la fréquence de résonance du système, comme on peut le prévoir qualitativement. Le problème général à résoudre, pour décrire le fonctionnement des modes résonnants, est celui des modes de vibration d une poutre semi-encastrée dont l extrémité est soumise à un champ de forces. Bien que l étude complète puisse être faite, elle n est pas présentée ici : les coefficients de qualité élevés, observés expérimentalement permettent de restreindre l analyse à un seul mode pour lequel l équation du mouvement se ramène, avec une très bonne approximation, à celle d un oscillateur harmonique soumis à un champ de force (encadré 2). Des mesures de force interfaciales à longue portée ont été faites par cette méthode résonnante linéaire. La technique de résonance est maintenant couramment utilisée pour obtenir des images électrostatiques ou magnétiques des surfaces. Afin d éviter un mélange de la topographie, l image en force électrique ou magnétique est acquise au cours d un «survol» à altitude constante de la surface. L estimation de la topographie est faite en mode tapping. R 394 8 Techniques de l Ingénieur

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM) Amplitude (mv) 5 5 Amplitude normalisée,8,6,4,2 Phase ( o ) 82 825 83 835 84 845 85 Fréquence (Hz) Phase ( o ),9,95,5, Fréquence normalisée 82 825 83 835 84 845 85 Fréquence (Hz) 2,9,95,5, Fréquence normalisée a résultats expérimentaux b simulations numériques Figure 6 Évolution de l amplitude et de la phase de vibration en fonction de la fréquence d excitation.3.2.2 Mode tapping Si la pointe vibre près de la surface et/ou si son amplitude est grande, une description au premier ordre de l interaction n est plus possible. L oscillateur est non linéaire et on peut s attendre à des effets particuliers. En pratique, cependant, la déflection reste quasi sinusoïdale. En fait, à cause du grand facteur de qualité de la résonance, les non-linéarités n entraînent pas d anharmonicité de la réponse, mais vont se manifester dans le type de dépendance de la réponse aux paramètres de commande et d interaction. Par exemple, l interaction (attractive ou répulsive) de la pointe avec une surface, conduisant à un comportement bistable, a été observée expérimentalement et modélisée théoriquement []. Dans cette étude, l amplitude de vibration x est grande. Le point d équilibre de la pointe oscillante est séparé de la surface par une distance voisine de l amplitude maximum de l oscillation libre de la pointe à la résonance du levier ( x h). En balayant la fréquence d excitation autour de la fréquence de résonance, une hystérésis est observée (figure 6a). Dans le domaine de fréquence juste au-dessus de la fréquence de résonance, il existe deux états stables d oscillation : un état d amplitude haute est observé lorsque la fréquence d excitation augmente ; en revanche, lorsque la fréquence d excitation diminue, on observe un état d amplitude basse. La pointe apparaît «piégée», par la surface de l échantillon, dans un état d amplitude haute lorsqu elle s approche du contact. Remarquons que la pointe n est pas collée à la surface, ce qui entraînerait une amplitude nulle. En reprenant l équation du mode résonnant linéaire et en supposant que f [x] correspond à un simple choc impulsionnel répulsif du gx ( h) type f [ x] = ---------------------------------------, une simulation numérique (figure 6b) [( x h) 2 + a 2 ] 3 reproduit, à la fois en amplitude et en phase, le comportement bistable observé expérimentalement. Pour un choc attractif, la simulation prédit le même phénomène, l état d amplitude haute apparaissant alors au-dessous de la fréquence de résonance. Le «piégeage» n est donc pas une conséquence du signe de f [x]. Des modèles analytiques plus élaborés rendent compte de ces effets, ainsi que de la génération de sous-harmoniques ou de mouvements chaotiques, comme dans le cas général des systèmes non linéaires. Toutefois, le modèle simple analysé ci-avant suggère, lors de l utilisation du mode tapping, de travailler à une fréquence juste au-dessous (resp. au-dessus) de la fréquence de résonance de la pointe pour une interaction répulsive (resp. attractive). Si maintenant la fréquence d excitation du cantilever est fixée, et l amplitude d oscillation maintenue constante, l enregistrement de la différence entre l angle de phase du signal d excitation et la déflection du levier peut être utilisée pour obtenir une information sur les processus de dissipation intervenant au contact avec la surface étudiée. Deux voies sont a priori considérées pour la dissipation d énergie : l amortissement visqueux et l énergie d adhésion. Une modélisation de ces effets et la comparaison avec l expérience peut être consultée []. Nous donnons sur la figure 7, à titre d exemple, une étude effectuée sur trois matériaux élastomères Techniques de l Ingénieur R 394 9

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM) (polydiméthylsiloxane de différentes densités) dont seul le module élastique varie [2]. En appelant A l amplitude libre d oscillation du cantilever et A sp l amplitude asservie en mode tapping, on définit le rapport : Remarquons que A sp résulte de la distance pointe-échantillon à l équilibre (h) plus la déformation de l échantillon à l impact (δ ). Pour deux échantillons, et 2, de modules d Young différents, on a donc : A sp = h + δ = h 2 + δ 2. La déformation δ est moindre dans le matériau le plus dur ( par exemple) et donc h > h 2. Le changement de distance compense les contributions associées aux différents modules d Young. Il en résulte que dans le mode tapping, les changements de phase sont indépendants des variations de module d élasticité [3]. Sur la figure 7a sont tracés les écarts de phase ( Φ) observés en fonction de r sp pour les trois matériaux élastomères étudiés. Φ est sensiblement linéaire en fonction de r sp, les trois courbes se recouvrent à 3 ou 4 près (erreur expérimentale). Aucun contraste n est observé dans l image de phase, en accord avec la description schématique faite ci-avant. Toutefois, pour rendre compte plus précisément de l indentation, il est intéressant de comparer l amplitude et la phase en fonction de la distance h entre la base du cantilever et la surface de l échantillon. C est ce qui est fait sur la figure 7b : il est apparent que les réponses en amplitude et en phase, pour les trois matériaux, sont identiques pour h > 75 nm mais deviennent clairement distinctes au-delà. Φ ( o ) 4 3 2 A (nm) 6 5 4 3 2 A sp r sp = --------- A,2,4,6,8 Φ a écart de phase Figure 7 Étude en mode tapping de trois élastomères A r sp 4 4 8 2 5 b écart de phase et amplitude h (nm) Φ ( o ) 4 3 2 La droite en trait plein est l amplitude attendue sur une surface parfaitement rigide (δ = ). On voit que les amplitudes expérimentales se situent au-dessus de cette droite et que la courbe correspondant au matériau le plus rigide (triangles) en est la plus proche pour h < 75nm..3.3 Mode thermique De façon générale, le mode thermique utilise les composantes du microscope AFM : la pointe comme détecteur de température en champ proche ; une source de chaleur qui peut être externe (radiation électromagnétique), interne (une région chaude dans l échantillon) ou encore la pointe elle-même ; un transducteur de force sous forme d un cantilever dont la déflection mesure la force qui s exerce entre la sonde (thermique) et l échantillon ; un ou plusieurs systèmes d asservissement, en particulier une contre-réaction de force ou une contre-réaction thermique. Une description générale de ce mode de fonctionnement peut être trouvée dans l article de revue de H.M. Pollock et A. Hammiche [4]. 2. Applications La possibilité d étude de surfaces avec une résolution extrême en utilisant les techniques de microscopie à force atomique a conduit à l émergence d une profusion de techniques reliées utilisant des sondes à interaction locale. L univers des techniques de détection locale et de microscopie de type AFM est décrit sur la figure 8. 2. Propriétés locales 2.. Mesures de force La capacité de l AFM à mesurer localement des forces faibles au contact ou hors contact a très vite intéressé une large communauté de chercheurs : des questions de stimulation mécanique se posent en biologie cellulaire ainsi que des questions fondamentales sur les potentiels d interaction interfaciale. La première approche a été d utiliser comme méthode d exploration les courbes de forces présentées précédemment (.3.). 2... Mesures hors contact Le modèle théorique DLVO (Derjaguin, Landau, Vervey, Overbeek) [6] d interaction interfaciale hors contact dans les liquides a été souvent vérifié pour de nombreux couples pointe-surface (.3..). La figure 9 est une illustration expérimentale de ce type d étude [7]. Il s agit d une interaction entre un polymère (le polyétheréthercétone, ou PEEK, déposé sur mica) et une pointe en nitrure de silicium immergés dans une solution de KCl recouvrant la surface. Pour une concentration d électrolyte supérieure à 5. 4 mol/l, la force répulsive est complètement décrite (figure 9a). Aux faibles forces ioniques, pour des concentrations d électrolyte inférieures à 3. 4 mol/l (figure 9b), en revanche, la partie attractive de la force crée un saut au contact. 2...2 Mesures d élasticité et d adhésion Lee et coll. [7] ont été parmi les premiers à démontrer que l AFM permettait de mesurer des forces discrètes, et biologiquement spécifiques, entre une pointe traitée et une surface fonctionnalisée. Un dessin schématique de leur dispositif expérimental est présenté sur la figure 2a. Une microsphère de verre est collée à l extrémité de la R 394 Techniques de l Ingénieur

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM) ultrasonore chimique Archivage Information de données storage thermique à balayage dynamique C D à force magnétique A Source laser de module d élasticité B à force de frottement z y A-B Topographie topography C-D torsio Torsion à sonde Kelvin x Chemical sensors Capteurs chimiques de force électrostatique Scanning de capacitance microscopy à balayage Spectroscopie de force à distance de résonance magnétique Figure 8 Techniques de détection locale et de microscopie de type AFM (d après [5]) Déflection du cantilever (nm) Force (nn) Déflection du cantilever (nm) Saut à la distance 6 nm Force (nn) Force d adhésion 3,4 nn,, 2 3 Distance pointe-échantillon (nm) approche retrait 2 3 Distance pointe-échantillon (nm) a force ionique élevée (5 4 M) b force ionique faible (< 3 4 M) Figure 9 Interaction entre une surface en PEEK et une pointe en nitrure de silicium dans KCl Techniques de l Ingénieur R 394

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM) pointe. La biomolécule est la biotine attachée à la sphère et la molécule appariée (contre-molécule) est la (strept)avidine attachée à la surface. Lorsque la pointe et la surface entrent en contact les deux molécules forment une liaison chimique. Avec un dispositif similaire, Florin et coll. [8] ont enregistré la distribution des forces d adhésion de la paire biotine-avidine, présentée sur la figure 2b. La rupture de l adhésion entraîne des sauts caractéristiques, signalés par des flèches. Chacun de ces sauts est attribué à un quantum de force de la molécule appariée. Une force d adhésion de 6 pn, nécessaire pour briser une liaison biotine-avidine, est déduite de l histogramme. Biomolécule Contre-molécule Surface Sonde Ces publications initiales ont contribué de façon substantielle au développement d un nouveau domaine d utilisation de l AFM. Le nombre d articles publiés depuis montre clairement que cette technique est devenue populaire pour étudier les forces d adhésion entre biomolécules et mieux comprendre la mécanique de dépliement de molécules flexibles telles que la titine et la tenascine. 4 a dispositif expérimental (d après [7]) 2...3 Courbes d approche-retrait 3 Une des premières mesures de forces, utilisant un simple ligand, fixé sur une pointe, libre de s orienter dans l espace pour reconnaître des récepteurs liés à la surface, est représentée sur la figure 2. Elle correspond à la détection d un antigène unique par un anticorps lié de façon covalente à l apex d une pointe [9]. La liaison de l anticorps à l antigène, durant l approche, connecte la pointe à la sonde (étapes à 5). Cela entraîne un signal de force de forme particulière, durant la rétraction de la pointe (6 à 7), montrant l extension de la connexion flexible (6), jusqu à l extension complète (7), et la rupture de la liaison (de 7, retour à 2). La courbe d approche-retrait (figure 2b) est représentée avec l échelle des forces et des déplacements. 2 2 4 6 8 Adhésion (pn) b distribution de la force (d après [8]) Figure 2 Mesure de force d adhésion entre molécules biologiques 2...4 Nanodissection En photosynthèse, des assemblées de multiprotéines hautement organisées convertissent la lumière solaire en énergie biochimique avec une grande efficacité. L AFM permet d étudier ces complexes multiprotéines in situ avec une résolution moléculaire et éventuellement de les modifier [2]. Schématiquement, les étapes initiales de la photosynthèse pour les bactéries, les algues et d autres plantes correspondent à l absorption de la lumière par un ensemble pigment-protéine (LH) puis au transfert de l énergie d excitation vers un centre de réaction (RC). La figure 22 présente la structure schématique et les étapes de la dissection. 5 4 3 2 Le microscope à force atomique est utilisé en mode contact et les forces appliquées sont de l ordre de pn. La figure 22a représente une vue schématique du complexe photosynthétique de la multiprotéine (Rhodopseudomonas vividis). Les flèches correspondent aux mesures de hauteur en AFM. La hauteur a mesurée sur des membranes natives de R. vividis adsorbées rigidement est de 2,4 ±,8 nm entre les surfaces cytoplasmique et périplasmique du centre de réaction. La figure 22b montre deux images en champ proche de la même zone de la membrane photosynthétique de R. vividis. La barre horizontale indique l échelle latérale ( nm) et l échelle en fausses couleurs la dimension verticale (5 nm). L image du bas est obtenue après trois balayages ( min) de la même région que l image du haut. Les marqueurs (m) permettent l alignement des deux images topographiques. Les flèches à 3 indiquent les complexes pour lesquels les 4Hcyt recouvrant les RC ont subi un changement structurel après nanodissection. La figure 22c détaille les changements structuraux observés : (m) sans changement ; () 4Hcyt-RC-LH RC-LH ; (2) 4Hcyt-RC-LH LH ; (3) rotation du groupement RC au sein d un complexe RC-LH. 6 7 5 a formation et rupture de la liaison 4 3 2 6,2 nn nm 7 b courbe d approche-retrait Figure 2 Détection d un antigène (d après [9]) R 394 2 Techniques de l Ingénieur

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM) Indépendamment de l information biophysique, ces données montrent que l AFM, possédant un excellent rapport signal sur bruit et une haute résolution latérale, combiné avec la possibilité de nanodissection d une assemblée de protéines, est actuellement une technique de choix pour l étude in situ de milieux biologiques. Périplasme 2..2 Mesures magnétiques et électriques b 4Hcyt Comme nous l avons vu, les forces à longue portée peuvent être étudiées en mode résonnant linéaire (.3.2). On emploie généralement une technique de double balayage : un premier passage en contact intermittent permet de déterminer la topographie de la surface ; il est suivi d un deuxième passage au cours duquel la pointe survole la même ligne à une distance constante de la surface (typiquement ou 2 nm, pour éliminer les forces de Van der Waals). Dans certains cas, on peut aussi simplement enregistrer la déflection du levier en mode statique. a c d Bicouche lipidique LH RC L RC M LH 2..2. Mesures magnétiques Les pointes magnétiques peuvent être aimantées suivant leur axe ou perpendiculairement à l aide d un aimant. L AFM magnétique est employé pour analyser les structures en domaines d alliages, de petites particules ou de plots magnétiques ainsi que les réseaux de vortex dans les supraconducteurs. On l utilise aussi pour l étude des systèmes d enregistrement. L énergie d interaction entre la pointe et la surface peut être décrite comme celle du champ créé par l échantillon sur les dipôles de la pointe. Elle est bien sûr égale à celle du champ créé par la pointe sur l échantillon. Il y a donc une interaction réciproque qui peut être perturbatrice pour les mesures dans le cas où les rigidités magnétiques sont faibles (pointe ou échantillon). La détection de la résonance électronique de spin, dans un gradient de champ comparable aux gradients interatomiques locaux, a été observée à l aide d une pointe ferromagnétique fixée à l extrémité d un cantilever [2] (figure 23). Dans d autres expériences, la pointe, munie de son aimant permanent, est volontairement placée à grande distance de l échantillon magnétique de façon à assurer un couplage faible [22]. La figure 24a illustre la géométrie de l appareil utilisé pour mesurer les variations de la composante z de l aimantation (M z, induite par un champ micro-onde H ), d un disque de YIG (yttrium iron garnet), de diamètre voisin de 5 µm, placé dans un champ magnétique statique H ext parallèle à l axe du disque. Le champ micro-onde H est généré par un synthétiseur de fréquence à GHz et injecté dans un résonateur (ligne à rubans) demi-onde (λ/2). La pointe est un microaimant de 8 µm de diamètre et 4 µm de long, fixé à l extrémité d un cantilever souple (constante de raideur k =, N.m ). La distance entre la pointe et le disque est h µm. La séparation est volontairement grande pour minimiser le couplage entre la sonde et l échantillon. Lorsque le champ externe H ext atteint,5 T, le champ dipolaire agissant sur le microaimant produit une flexion élastique du cantilever, de l ordre de µm, et la constante de raideur effective devient k =,2 N.m. Le signal de ferromagnetic resonance force microscopy (fmrfm) est proportionnel à la variation de l aimantation longitudinale M z (figure 24c). Signalons aussi les recherches qui visent à obtenir une détection mécanique de la résonance magnétique nucléaire sur un petit nombre de spins. 2..2.2 Mesures électriques Les mesures électriques sont importantes pour la microélectronique. Cependant, comme les autres types de caractérisation locale, elles peuvent être précieuses pour révéler des différences dans la physico-chimie des surfaces. Elles ont aussi permis d aborder des questions difficiles comme la triboélectricité dans des conditions géométriques satisfaisantes (pas de rugosité à l échelle du contact pointe-surface). Cytoplasme Figure 22 Nanodissection d un complexe photosynthétique multiprotéine Figure 23 Détection de la résonance électronique de spin RC H m 2 3 + min b c z a multiprotéine images en champ proche changements structuraux x Échantillon Cantilever Zone de signal résonnant Champ trop fort pour la résonance Champ trop faible pour la résonance Pointe magnétique Techniques de l Ingénieur R 394 3

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM) Encadré 3 Mesures capacitives Synthétiseur de fréquence GHz Sonde Abs / H 5 b H ext H YIG Résonateur λ /2 a dispositif YIG pointe aimantée Quand on applique une différence de potentiel entre la pointe et l échantillon, ce sont les caractéristiques électriques de l interaction qui créent la résonance. La force appliquée étant d origine capacitive, elle possède une dépendance quadratique avec le potentiel. Pour une différence de potentiel de la forme V + ν sinω t, la force comprend, outre une valeur moyenne, une contribution à la fréquence d excitation ω, d intensité proportionnelle au produit Vv, et une autre au double de la fréquence d excitation et d intensité proportionnelle à v 2. On peut, par exemple, exciter le cantilever à une fréquence moitié de sa fréquence de résonance ω ω / 2 et mesurer la composante à ω de la vibration. On a ainsi accès à la valeur de la tension continue V, qui comprend la tension continue appliquée à la pointe mais aussi certaines des caractéristiques électriques de l échantillon. Bien que l étalonnage de la méthode soit difficile, on peut, à l aide des courbes capacité-tension et d autres techniques spectroscopiques comme le SIMS (secondary ion mass spectrometry) ou de SSRP (scanning spreading résistance profiling : mesures de résistance de contact) remonter au profil bidimensionnel de distribution de dopage dans le matériau. La SSRP est essentiellement un microscope à force atomique équipé d une pointe conductrice et travaillant en mode contact. Une tension électrique est appliquée entre la pointe et la surface et le courant électrique local est mesuré. La résistance équivalente s écrit ρ R s = ------, où a est relié au rayon du point de contact et la 4a résistivité est ρ = ----------------------------------- qnµ ( n + pµ p ). µ n, µ p, n et p sont les mobilités et concentrations des électrons et des trous respectivement et q est la charge électrique élémentaire [24]. 5,49,5,5,52,53,54 c fmrfm H ext ( T) Figure 24 à force de résonance ferromagnétique Plusieurs types de mesures électriques ont été effectués par AFM. Pour les modes résonnants, on utilise une pointe conductrice qui interagit avec l échantillon par l intermédiaire des forces de Coulomb. Le dopage des semi-conducteurs, la présence de charges localisées, la polarisation électrique ou les valeurs du travail d extraction sont ainsi révélées par un changement des caractéristiques de résonance du cantilever. On peut directement mesurer le gradient de force sur la pointe portée à un potentiel de référence (.3.2) ou bien appliquer à la pointe une tension alternative d excitation. Cette fonctionnalité de l AFM est très utilisée en microélectronique où elle sert pour l analyse de défauts (piste coupée, zones d accumulation de charge ). On a accès (encadré 3) à la valeur de la tension continue V, qui comprend la tension continue appliquée à la pointe mais aussi certaines des caractéristiques électriques de l échantillon. Sur un métal, le potentiel de contact pointe-échantillon donne une contribution à cette différence de potentiel. On réalise par cette méthode des images en potentiel de contact. Par leur grande sensibilité aux couches de contamination, de telles images peuvent se révéler utiles dans des domaines autres que la microélectronique. Sur une couche isolante, on met aussi en évidence le champ créé par les charges localisées. Des phénomènes de triboélectricité ont été étudiés par ce moyen. Sur un semi-conducteur, cette tension dépend de façon non linéaire de la différence de potentiel appliquée entre la pointe et l échantillon et peut ainsi révéler le taux de dopage du matériau [23]. Par exemple, la figure 25a montre une image en coupe d une structure tridimensionnelle en InP complexe. Différentes couches ont été déposées sur un substrat de type N en InP. Les couches de type n sont dopées au silicium, les couches i sont semi-isolantes, dopées au fer, et les couches de type p sont dopées au zinc. La SSRP (encadré 3) est utilisée pour étudier la diffusion latérale du zinc de la zone de type p hautement dopée vers la zone semi-isolante. Le balayage d une ligne le long de la région de diffusion (selon la ligne AA ) montre le profil de diffusion typique du zinc sous forme de marche (figure 25b). 2..3 Mesures optiques en champ proche La diffraction de la lumière impose une limite, voisine d une demilongueur d onde, à l utilisation de l interaction lumière-matière comme sonde locale en microscopie. Cette limite, liée à la nature des phénomènes de propagation de la lumière qui interviennent lors de la formation des images, ne dépend pas des instruments d optique. La microscopie optique en champ proche, ou SNOM (scanning nearfield optical microscopy) [P 862] [R 6 74], a récemment permis de mesurer des propriétés optiques avec une résolution de quelques dizaines de nanomètres dans le domaine visible. Cette résolution est habituellement obtenue en venant sonder le champ proche optique avec une fibre optique taillée en pointe dont l extrémité conique est métallisée afin d y confiner le champ électromagnétique. Depuis quelques années, les microscopes optiques en champ proche R 394 4 Techniques de l Ingénieur

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM) p n Distance ( ) 9 8 7 i p A 6 A n 5 4 3 p 2 a structure 2 3 4 5 6 7 8 9 Distance ( ),2 a image AFM Courant,8,6,4,2 2 3 4 5 b profil de diffusion Figure 25 Diffusion du zinc dans une structure multicouche d InP (SNOM) utilisent plutôt comme sonde une pointe métallique de type AFM. Cette pointe, fonctionnant en mode tapping, vient perturber périodiquement le champ local à la surface de l objet à observer. Dans ce cas, la résolution n est probablement limitée que par le rayon de courbe de la pointe (typiquement 5 à nm). La validation de l approche utilisée par ce dispositif a été confirmée par des études effectuées aussi bien en réflexion qu en transmission, sur des matériaux variés (interface métal-diélectrique, semi-conducteurs dopés, supraconducteurs HT ) et dans un large domaine de longueurs d onde allant du visible (4 nm) à l infrarouge ( µm). Les observations effectuées ont de plus montré que la réponse optique était décorrélée de la topographie de l échantillon [25] [26]. La figure 26 présente les images AFM et SNOM de la surface d un échantillon de silicium dopé au bore [25] obtenues à λ =,6 µm avec un montage de ce type. L image AFM, (figure 26a) ne révèle aucune topographie, hormis une légère pente due à l orientation de la surface par rapport à l axe de la pointe. L implantation induit une modification de la distribution des porteurs libres et donc de la constante diélectrique locale. L amplitude et la phase du signal SNOM peuvent être interprétées quantitativement à l aide d un modèle simple d images électrostatiques (figure 26b) : le taux d implantation ( 9 /cm 2 ) modifie fortement la constante diélectrique locale dans le domaine infrarouge ; par conséquent, l image diélectrique de la pointe est très différente dans les régions dopées de celle obtenue sur le silicium pur, ce qui explique le contraste observé. 2..4 Mesures de propriétés mécaniques La mesure des propriétés mécaniques des surfaces prend actuellement une grande importance. La mise au point de matériaux composites, par exemple, en est une bonne illustration : la distribution Distance ( ) 9 8 7 6 5 4 3 2 2 3 4 5 6 7 8 9 Distance ( ) Figure 26 Surface d un échantillon de silicium dopé au bore des modules d élasticité conditionne le comportement macroscopique des échantillons. Il serait utile de disposer de moyens de mesure locale de ces grandeurs. Sur un plan plus fondamental, des questions se posent sur le profil de la température de transition vitreuse des polymères au voisinage d une surface ou sur les mécanismes d adhésion ou de frottement. Avec l AFM, on peut tester la mécanique du contact au travers de sa raideur normale ou tangentielle ou mesurer directement des propriétés tribologiques [27]. Nombre de techniques utilisées à l échelle macroscopique peuvent ainsi être mises en œuvre localement avec un AFM (c est le cas des études de rayure ou d adhésion qui ne sont pas décrites ici). 2.2 Nanotechnologies b image SNOM Le domaine des nanotechnologies [RE 9], secteur stratégique du nouveau millénaire, concerne les objets dont les dimensions caractéristiques sont inférieures au micromètre. Il est possible d imaginer que dans un proche avenir, les systèmes microélectromécaniques révolutionnent la façon dont nous pensons aux machines [28]. De nombreuses équipes recherchent des protocoles expérimentaux Techniques de l Ingénieur R 394 5

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM) 2 4 6 8 Distance (nm) Hauteur moyenne du fil : 5,5 nm Largeur à mi-hauteur apparente du fil : 7 nm 2 nm Figure 27 Image AFM ( x nm 2 ) : vue tridimensionnelle d un fil de silicium pour graver, écrire ou manipuler de petites structures sur les surfaces à l aide d une pointe AFM. Le domaine est vaste et intéresse aussi bien la microélectronique [RE 32] (circuits intégrés), la biologie (cellules ou puces à ADN [RE 6] [RE 7]), la physique (nanoparticules [RE 23]), la chimie (molécules) et la nanométrologie. Nous donnons quelques exemples dans chacun de ces domaines. 2.2. Lithographie La lithographie de silicium assistée par STM/AFM est une voie de recherche à bas coût. Sous tension pointe-surface, l oxydation locale du silicium est possible ; en utilisant des impulsions de tension synchronisées avec le mouvement de la pointe AFM, B. Legrand [29] a montré qu il est possible de réaliser des oxydations de largeur nanométrique tout en conservant une bonne qualité de la pointe AFM (figure 27). L attaque par la potasse (KOH) de la structure de surface oxydée permet la réalisation de nanofils de silicium (voir [IN 6]) en utilisant des substrats de type SOI (silicon on insulator) [E 2 38]. La mesure des caractéristiques I(V ) d un fil montre que les courants mesurés dans les nanofils sont inférieurs de cinq décades environ aux courants que donne le modèle classique de résistivité. Ce phénomène est attribué au piégeage des porteurs libres du nanofil par les défauts d interface. Figure 28 Complexes d ADN-protéine imagés par AFM (d après [3]) 2.2.3 Nanomanipulation La manipulation de nanocristaux de silicium, obtenus par dépôt chimique en phase vapeur sur un wafer de silice oxydé, est possible en AFM en utilisant à la fois le mode contact et le mode tapping [32]. La figure 29 montre la formation d une ligne en quatre étapes (figures 29a à d). La pointe est positionnée auprès de la particule en utilisant le mode tapping. En passant au mode contact, les nanocristaux sont alors mécaniquement déplacés en appliquant un offset à la pointe. La précision du positionnement est d environ nm. Cette méthode permet de fabriquer des structures de forme définies comme le cercle de la figure 29e. 2.2.4 Imagerie chimique Le contraste d imagerie en AFM peut être déduit de l interaction spécifique entre la pointe et la surface. Il est possible d utiliser des pointes fonctionnalisées chimiquement, à l aide de thiols ou de silanes, comme celle présentée sur la figure 3. Elles permettent d induire des réactions chimiques locales, de faire de l imagerie de surface, chimique ou biologique, à l échelle nanométrique. Comme la pointe est modifiée de façon spécifique (groupement OH, CH 3, COOH ), il est possible de différencier les groupements chimiques présents en surface en mesurant la force d adhésion ou de frottement (.3..4). 2.2.2 Structure de complexes d ADN ou d ADN-protéine imagée par AFM Un exemple d adressage des sites de fixation de protéines sur des brins d ADN est montré sur la figure 28 [3]. L observation nécessite une préparation de la surface de mica sur laquelle sont déposés les fragments d ADN. Avec un traitement à la spermine, la rugosité de la surface initiale est de,8 nm et de plus les brins d ADN, comprenant environ paires de base, dont la longueur moyenne calculée est de 38 nm, ne semblent pas se replier sur cette surface de mica. La longueur moyenne des complexes Spl-ADN liés est de 324 nm, un peu supérieure à la longueur calculée, indiquant que les molécules Spl-ADN sont fixées sur la surface de mica sans être repliées. Sur la figure 28, sept complexes protéine(spl)-adn sont observés. 2.2.5 Nanométrologie Les verrous technologiques identifiés au travers des domaines évoqués ci-avant, tels que la lithographie de motifs inférieurs à nm en nanoélectronique, montrent clairement que la fonction métrologique au sein des futures unités de production nécessite une prise en compte spécifique et adaptée aux utilisations des nouveaux instruments et méthodes de mesures à l échelle nanométrique. Pour satisfaire ces besoins et lever ce verrou technologique, le Bureau national de métrologie-laboratoire national d essais (BNM-LNE) [R 6] a entrepris le projet Nanométrologie (encadré 4). Cet instrument associe pour la première fois sur un équipement de métrologie de référence raccordé à l étalon national de longueur, la technologie de la microscopie à force atomique à une structure mécanique mobile offrant une capacité de déplacment de l étalon de 3 mm 3 mm 5 µm. R 394 6 Techniques de l Ingénieur

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM) a b Si-nc 2 c d Si-nc 5 nm 25 nm 5 Si-nc : nanocristal de silicium Y (nm) 5 nm 25 25 5 X (nm) e Figure 29 Nanocristaux de silicium déplacés par AFM D un point de vue pratique, la surface balayée, dans un temps donné, doit être compatible avec une utilisation commerciale. Le souhait est de maintenir la résolution et la précision tout en augmentant la capacité ; l idée est donc d utiliser des leviers fonctionnant en parallèle. 3. Conclusion Dans cette brève exploration des applications de la microscopie à force atomique, nous avons illustré quelques-unes des possibilités offertes par cette technique qui a vu le jour depuis moins de vingt ans. La possibilité d imager des surfaces avec une résolution, transversale et verticale, de l ordre du nanomètre a conduit à une moisson de résultats originaux. Figure 3 Pointe fonctionnalisée par un silane (NanoAndMore ) 2.2.6 Prospective D un point de vue scientifique, le défi réside dans l optimisation de la sensibilité des cantilevers afin d atteindre les limites ultimes ; ce pourrait être la détection nanomécanique de molécules individuelles ou bien le raccord du mètre étalon à l échelle du nanomètre. Ce développement technologique nous a permis de nous habituer à l idée qu une ingénierie peut être conduite à une échelle trop petite pour être vue à l œil nu, tout en utilisant des principes (mécanique, électricité, hydraulique, optique, tribologie, magnétisme ) familiers dans le monde macroscopique. Les domaines d utilisation sont variés : physique, chimie, biologie, etc. Le développement d appareils commerciaux se poursuit en parallèle aux recherches exploratoires pour augmenter la capacité d acquisition, dans un temps donné. L AFM réserve encore de nombreuses améliorations et perfectionnements et est une des clés du domaine stratégique des nanotechnologies. Techniques de l Ingénieur R 394 7

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM) Encadré 4 Le projet Nanométrologie du BNM-LNE Les besoins des industriels français des micro- et nanotechnologies dans des domaines aussi divers que l électronique, les télécommunications, l optique, la mécanique, la chimie, la biologie, la santé, l environnement, les transports et les sources d énergie ne cessent de croître. Des outils de mesure très performants, tels que les microscopes électroniques et à champ proche, existent mais l absence de raccordement à l étalon national de longueur constitue aujourd hui un véritable verrou technologique pour les industriels confrontés à la fabrication en grand volume de micro- et nanosystèmes. En France, le BNM-LNE a créé une unité nanométrologie, au sein de la division métrologie dimensionnelle. Cette unité est chargée de la conception et de la réalisation d un nouvel instrument de mesure tridimensionnel totalement innovant. Il vise à développer une capacité de raccordement se traduisant, dans un premier temps, par la conception, la réalisation et la mise en service d un nouvel instrument de mesure tridimensionnelle. Ce nouvel instrument a été intégré, au cours de l année 24, au sein des salles blanches du laboratoire de nanométrologie construit sur le site de Trappes du LNE. Pour la première fois, sur un équipement de métrologie de référence, raccordé à l étalon de longueur, un instrument associe la technologie de la microscopie à force atomique à une structure mécanique mobile offrant une capacité de déplacement de l étalon de 3 mm x 3 mm x 5 µm. La structure mobile est utilisée pour la mise en position de l échantillon et l AFM sert de palpeur pour mesurer la topographie de l échantillon. Deux principes fondamentaux ont été utilisés lors de la conception de cet instrument : conception des chaînes métrologiques de la machine avec d extrêmes précautions ; Nota : on appelle chaîne métrologique l ensemble de solides et de liaisons qui permettent d établir les positions relatives entre la sonde de mesure et l échantillon. structure métrologique dissociée [33] consistant à dissocier la chaîne métrologique de la chaîne assurant le déplacement de l échantillon. Pour appliquer ces deux principes, la machine est structurée en deux ensembles. Le premier, mobile, se compose de tous les éléments qui assurent la mise en position et le déplacement de la palette porte-échantillon. Le second, fixe, constitue la partie supérieure et matérialise l espace fixe de référence. Structure mobile : l objet à mesurer est fixé sur une palette porte-échantillon. Cette palette est bridée sur un chariot monobloc par un système sans déformation et permet l échange facile d échantillons. Trois mouvements superposés assurent la mobilité du chariot. Une table croisée du commerce génère les grands déplacements 3 mm par 3 mm avec des erreurs de position de l ordre de ±5 µm. Le chariot est posé sur une structure hexapode d actionneurs piézo-électriques, qui assure la correction active des défauts de positionnement et est capable de générer des déplacements nanométriques, dans les trois directions de l espace, sur une course de 6 µm. Enfin une table croisée, basée sur le principe de doubles lames flexibles, de course 2 mm par 2 mm, intercalée entre l hexapode et la table du commerce, permet de mettre en position l échantillon dans une zone de dimensions centimétriques sans faire intervenir le système de correction active. Une vue éclatée de la machine est présentée sur la figure 3. Le chariot monobloc est localisé par rapport au toit porte-référence par deux chaînes métrologiques. L une d elle assure la localisation du chariot dans le plan X Y, l autre assure le positionnement du chariot par rapport au plan X Y (mesure des altitudes Z et des rotations du chariot autour des axes X et Y ). Le microscope à force atomique est directement lié à une structure en Invar, suspendue par une liaison découplée sous le matelas d aluminium. AFM : la tête AFM insérée sur la machine doit posséder suivant l axe Z la même rigueur que la partie mobile. Pour obtenir cette rigueur, le BNM-LNE s est engagé à fabriquer en interne une tête AFM qui satisfasse ces contraintes. Dans une première étape, un guidage à lame flexible a été utilisé pour supporter la pointe AFM et obtenir un déplacement maîtrisé suivant Z de 6 µm. La pointe AFM prend place à l extrémité de la partie mobile qui est mise en mouvement par une céramique piézo-électrique (figure 32). Cette tête AFM a permis d imager de façon routinière divers échantillons mais elle possède un inconvénient majeur. Comme dans tous les microscopes à sonde locale, l asservissement suivant Z repose sur l utilisation d un élément piézo-électrique qui présente par nature des défauts de non-linéarité, d hystérésis, de répétabilité, de dérive, etc. La seconde tête AFM intègre un capteur étalonné. Les incertitudes prévisionnelles suivant X et Y sont de 3 nm pour un déplacement de 3 mm et, suivant Z, de l ordre du nanomètre pour un déplacement de 5 µm. Toit porte- référence Tête AFM Chariot monobloc porte-palette Cale piézo-électrique Guidage à lames Partie mobile suivant Z Table croisée Hexapode de correction Table à lames Pointe AFM Figure 3 Instrument de nanométrologie du BNM-LNE Figure 32 Tête AFM de l instrument de nanométrologie du BNM-LNE R 394 8 Techniques de l Ingénieur