Méthode de caractérisation des monocouches de Langmuir

La microscopie à force atomique (AFM)

Présentation

Le microscope à force atomique (ou AFM pour atomic force microscope) est de la famille des microscopes à champ proche utilisant une sonde locale. Ce microscope permet d’imager la surface de différents types d’échantillons dans l’air, en milieu liquide ou sous atmosphère contrôlée. En exploitant l’interaction entre les atomes d’une pointe fixée sur un micro-levier et les atomes de l’échantillon, nous pouvons accéder à la topographie et à certaines propriétés d’un échantillon90 (biologique, organique,. . .). 

Description du microscope AFM 

Principaux composants

Le microscope est composé de différents éléments : – Une pointe très fine (rayon de courbure de l’ordre de la dizaine de nm). – Un micro-levier (cantilever) d’une centaine de micromètres est le capteur de force sur lequel est fixée la pointe. En connaissant sa raideur, on accède à la force d’interaction par la mesure de la déflexion de l’ensemble levier-pointe. Cet ensemble doit avoir les propriétés suivantes : (i) Constante de rigidité faible (de l’ordre de 10−2 à quelques N/m). (ii) Une fréquence de résonance élevée.

(iii) Un grand facteur de qualité (pour les modes « non contact » et « contact intermittent »). – Un système de mesure de la déflexion du cantilever utilisant un laser, un miroir positionné sur le micro-levier et des photodiodes. 53 Méthode de caractérisation des monocouches de Langmuir – Un système asservi composé de céramiques piézoélectriques permettant un déplacement précis dans les trois dimensions (x, y et z) de l’échantillon par rapport à la pointe. Selon les appareils, soit c’est l’échantillon qui est déplacé, soit c’est la pointe et le système de mesure. – Un système d’isolation des vibrations extérieures.

Principe de fonctionnement

Les forces qui agissent sur la pointe vont déformer le cantilever au fur et à mesure que la pointe se déplace à la surface de l’échantillon. Cette déformation est enregistrée et exploitée de la façon suivante : Le miroir placé sur le micro-levier renvoie un faisceau émis par le laser jusqu’à un ensemble de photodiodes. Grâce au phénomène de «bras de levier» créé par le système optique, de très faibles variations de hauteur et/ou de torsion de la pointe engendrant de très petites déformations du cantilever vont dévier significativement le faisceau et éclairer plus ou moins certaines photodiodes.

L’intensité reçue par chaque diode sera une fonction de la hauteur et/ou de la torsion de la pointe. Le système mécanique asservi permet de déplacer l’échantillon et de connaître sa position à quelques nanomètres près. On obtient donc une image en trois dimensions de l’échantillon en balayant sa surface et en enregistrant la déflexion du « cantilever ».