Caractéristiques de l’instrument

La structure d’un AFM a été décrite au chapitre 1, avec les principaux éléments consti- tutifs. Nous allons décrire ici le reste des éléments techniques importants qui sont spécifiques au JPK Nanowizard 3. Les deux innovations qui ont été d’un grand intérêt pour ce travail expérimental ont été intégrées à un seul et même porte-levier, permettant à la fois d’avoir une vision latérale en ombroscopie et un excitation directe du levier en mode FM (mode Direct-Drive).

Figure 2: Porte-levier pour vue la- térale

Il s’agit d’un porte-levier construit par JPK spécifiquement pour nos expérimentations avec les liquides. Il est doté d’un miroir doré fixé sur le porte-levier, dont le plan fait un angle de 45o _{avec le plan du horizontal chip}

et du levier. Un ressort permet de maintenir le chip soigneusement fixé au porte-levier.

Le miroir doré, dont le plan fait un angle de 45o _{avec l’axe optique d’observation (axe}

vertical), permet de renvoyer la lumière d’un faisceau lumineux horizontal qui éclaire par le côté le levier, la pointe et l’échantillon de liquide posé (voir Fig.3). Ces derniers sont donc ob- servés en ombroscopie. L’axe optique Z vertical du microscope optique inversé est centré sur le miroir doré. Ainsi, contrairement aux situations d’observation classiques, la pointe AFM n’est pas sur l’axe du microscope optique.

La Fig.3 donne le principe de l’observation en vue latérale. L’éclairage latéral

Il est constitué d’une lampe à LED et le faisceau est guidé depuis la lampe par une fibre optique, munie d’un filtre infra-rouge de longueur d’onde de coupure voisine de 600 nm. Cela permet minimiser le bruit lumineux sur les détecteurs photodiodes qui mesurent la déflexion du levier, le laser de détection étant, quant à lui, dans le proche IR. En outre, on limite ainsi l’échauffement du liquide et donc les effets Marangoni à l’interface.

Le microscope optique inversé

Il est placé au dessous de la tête AFM qui contient le dispositif de détection laser+photodiodes et le porte-levier (Fig. 1). Il s’agit d’un microscope optique inversé Nikon Eclipse TI, com- portant 3 objectifs, de grandissements 20, 50 et 100. Il est relié à une caméra latérale (non représentée sur la Fig. 3) qui donnera les images en vue de côté. Pour l’objectif ⇥50 utilisé dans les présentes expérimentations, la distance de travail est de 11 mm. La mise au point est faite sur la pointe AFM. Lorsque celle-ci est proche de l’interface liquide, à une distance in- férieure à quelques micromètres, les deux éléments sont donc nets dans le champ de la caméra.

La caméra d’observation en vue latérale

Figure 3: Schéma du dispositif pour l’observation en vue latérale. Il s’agit de la vue de face du dispositif. Les axes x, y et z correspondent à ceux définis au Chapitre 4. Dans ce schéma, le levier est perpendiculaire au plan de figure. Le faisceau lumineux éclaire la liquide posé et la pointe, est réfléchi sur le miroir doré solidaire du porte- levier et renvoyé vers le microscope inversé (ici de grandissement 50). Le faisceau laser et le dispositif de mesure de déflexion ne sont pas représentés ici, seuls les éléments pour l’observation en vue de côté apparaissent.

— la caméra dédiée installée par le constructeur JPK est une caméra CCD Unicam reliée par FireWire à l’ordinateur de contrôle et gérée par le logiciel JPK. La matrice CCD correspond à un réseau 1024 x 768 pixels.

— une caméra ultra-rapide PCO Dimax, montée sur bague (lame d’air) anti vibrations pour isoler l’AFM des vibrations provoquées par le système de refroidissement de la caméra. La cadence maximale de cette caméra en plein champ (2016 x 2016 pixels) est de 1279 Hz, mais on peut atteindre 45 kHz en utilisant un fenêtrage de 300 x 300 par exemple. Cette caméra était synchronisée avec les mesures de l’AFM en FM par un module spécifique. Elle permet de suivre la dynamique de coalescence, synchronisée avec la mesure des forces entre les deux interfaces.

Calibration des caméras de vue de côté

— Pour la caméra JPK Unicam, la taille du pixel physique est de 4.65 µm. Compte tenu du grandissement global du système microscope optique inversé (grandissement utilisé 50) lié à son adaptateur optique (grandissement 0.7) , la taille du pixel image est de 4.65/(0.7 ⇥ 50) = 0.133 µm. Pour déterminer le facteur de conversion, en µm/pixel, correspondant, on utilise une grille de calibration. Le facteur de conversion pour cette caméra est de 100/762 µm/pixel.

— Pour la caméra Dimax, la taille du pixel physique est de 11 µm, et avec la même grille de calibration, on détermine un facteur de conversion de 100/464 µm/pixel

Le dispositif Direct Drive

Ce dispositif a été évoqué au Chapitre 3, lors de la description du mode FM. Il s’agit d’un transducteur piézoélectrique spécifique, sur lequel le chip est fixé, et qui permet de faire vibrer le levier à fréquence et amplitude imposées. Il est indépendant de l’actionneur piézoélectrique qui commande la position verticale de la base du levier. Cette technique améliore sensiblement la qualité de l’excitation du levier et sa régulation, par rapport à un porte-levier classique pour lequel, un même actionneur commande le déplacement moyen et la vibration.

Les Fig.4 et Fig.5donnent la vue latérale du dispositif.

Figure 4: Schéma du dispositif de vue de côté. Le miroir doré du porte-levier est situé en arrière-plan et renvoie le faisceau (flèche orange) vers le microscope inversé, non représenté sur le schéma. Le faisceau laser proche IR ( = 880 nm) de mesure de la déflexion du levier est ici représenté.