Microscopes à force atomique (AFM)

Plusieurs microscopes AFM sont à notre disposition à l’IMN, dont deux ont été utilisés pendant ma thèse : un JPK NanoWizard et un NT MDT NTEGRA. Dans cette partie nous allons décrire les spécificités de chacun, ainsi que leurs avantages et inconvénients à l’aide de quelques exemples.

 Dispositif AFM JPK NanoWizard

Le JPK NanoWizard est un AFM dont le microscope optique est inversé (cf. figure 2).La tête AFM est située au-dessus de l’échantillon tandis que le microscope optique se retrouve lui en dessous.

L’avantage premier de ce système, et non négligeable étant donné le but de cette thèse, est tout d’abord une meilleure visualisation optique de l’échantillon. La configuration du microscope permet d’éviter nombre d’obstacles présents dans la tête AFM et d’avoir une vision claire de la surface à l’échelle micrométrique. Il est alors plus facile de se repérer et de positionner correctement la pointe à l’endroit souhaité. Une tourelle permet de choisir entre trois objectifs Nikon x10, x40, x60.L’entreprise JPK se concentrant sur les applications biologiques, il est possible de travailler à l’air ou en liquide. Le balayage se fait par déplacement de la pointe et non de l’échantillon, rendant ce système AFM très stable. Il fournit notamment une très bonne résolution des images AFM, et une haute vitesse de balayage.

Cependant les échantillons analysés sont limités puisque seuls des substrats transparents peuvent être utilisés, toute surface opaque ou diffusante rendant le repérage et le positionnement de la pointe sur l’échantillon impossible. Afin de soutenir et protéger l’échantillon dans cette configuration en transmission, des lamelles couvre-objet en verre sont utilisées. Ces lamelles altèrent les rayons obliquent qui les traversent et donc aussi le stigmatisme du système optique. Plus l’ouverture numérique est grande, plus ce phénomène est important et plus l’image est dégradée, ce qui limite l’utilisation de certains objectifs. De plus, ce microscope est couteux et sa configuration inversée rend ce microscope très volumineux. Nous avons alors choisi un autre AFM à coupler avec notre spectromètre Raman, le NT MDT NTEGRA.

Figure 2: schéma de principe et photo de l’AFM et de l’objectif du microscope optique. Ce dernier est inversé par rapport à la pointe AFM et se situe sous l’échantillon

75  Dispositif NT MDT NTEGRA

Moins cher, le dispositif NTEGRA est un AFM très ouvert et plus petit que le JPK (Fig.2). Il est alors plus facilement adaptable en fonction des besoins. L’objectif d’origine est situé cette foisau-dessus de l’échantillon et de la pointe contrairement au cas précédent (cf. Fig.2). La déflection du levier est détectée par le système de détection grâce à l’utilisation d’un laser semi-conducteur (830 nm) passant à travers l’objectif.

La sonde AFM est localisée sous un objectif Mitutoyo x100 de grande ouverture numérique (ON=0,7), de distance de travail 6 mm. Il permet de visualiser l’échantillon avec une résolution limitée de 0,4 μm. Celui-ci est fixé dans la tête de mesure et est donc difficilement remplaçable. Néanmoins, la structure de la tête AFM étant relativement simple, le faisceau optique rencontre peu d’obstacles et la vision de l’échantillon reste suffisante pour un positionnement précis de la pointe dans la plupart des situations. Il offre également une grande précision de focalisation du faisceau sur l'objet et l’apex de la pointe (meilleure conservation du point focale, réglable à l’aide d’un vis située à l’avant de la tête de mesure) ainsi qu'une bonne stabilité de l'ensemble. Il n’est en revanche pas possible dans cette configuration d’utiliser une tourelle (revolver) avec plusieurs objectifs, ce qui ne laisse pas la possibilité d’adapter le champ de vision à la situation et à l’échantillon (en particulier pour des surfaces peu réfléchissantes, cf. Fig.4).

Le zoom étant alors déjà trop fort pour un repérage préalable, nous avons adapté un objectif Mitutoyo x20 sur un trépied indépendant fabriqué à l’atelier du laboratoire de sorte à ce qu’il corresponde aux dimensions du support de platine de l’AFM (cf. Fig.5). Une procédure d’alignement de l’objectif avec le reste du trajet optique (notamment avec la caméra, limitant les allers retour nécessaires avec le x80) a été optimisée avec Jean-Yves Mevellec grâce à l’ajout de vis micrométriques. Elle doit néanmoins être régulièrement contrôlée suite aux nombreuses manipulations du trépied. Cet ajout, qui ne touche pas à la structure originelle du dispositif AFM et de son système optique, permet une meilleure visualisation de la surface, et donc un meilleur pré-repérage.

Les procédures de mise en œuvre d’une mesure et du repérage sur un échantillon seront décrites ultérieurement respectivement I)3) et lors du III) Précautions expérimentales.

Figure 4: Images optiques prises avec a) le JPK objectif x10 b) le NTMDT objectif x80. Les leviers AFM sont visibles dans les deux cas, cachant une partie de l’échantillon et renvoyant fortement la

lumière à cause du fort grossissement de l’objectif dans le cas du NT MDT. La luminosité de l’image a également été augmentée sur l’image de droite.

Figure 5: a) photo du trépied avec objectif Mitutoyo x20 placé sur la platine de l'AFM NTMDT; b) image optique prise avec l'objectif x20; c) image du même objet avec l’objectif x80, nous privant par son grossissement des détails alentours et rendant le repérage

77  Manipulation de nano-objets

Les deux AFM permettent la nanomanipulation de nanoparticules via leur mode contact, et l’option « lithographie » de leur logiciel. Le déplacement de la pointe est réglable via le paramètre appelé« Setpoint » mesurant la force appliquée par celle-ci sur l’échantillon (mesure d’une déflection en mode « contact », et de l’oscillation du levier en mode intermittent « tapping »), ainsi que par le paramètre « Velocity » permettant d’adapter sa vitesse de déplacement aux circonstances. La trajectoire de la pointe est déterminée graphiquement sur les deux logiciels. Cependant le JPK offre la possibilité de la tracer directement à la souris, offrant plus de liberté que le NT MDT qui reste relativement rigide de ce point de vue (possibilité de tracer des droites, des cercles etc.. mais le tracé libre n’est pas disponible)(Fig.6). Le réglage du « Setpoint » est également moins intuitif, sa valeur étant à réadapter très régulièrement, là où le JPK se montre particulièrement répétable.

Avant chaque manipulation avec une nouvelle pointe, il est nécessaire de s’assurer que les valeurs de Setpoint et de vitesse de déplacement sont bien adaptées à la situation. Les valeurs de référence (ayant fonctionnées le plus souvent) pour le JPK sont respectivement de 0,2

µm/s et de 1 V. Avec le NTMDT en mode de lithographie «Setpoint », la valeur de Setpoint doit être inférieure à la valeur du paramètre Action : par exemple Setpoint = -1 nA et

Action = 2 nA, avec une vitesse de pointe de 0.5 µm/s. Le mouvement du levier dans toutes les trois directions de l’espace est assuré par un tube piézoélectrique. Sa position verticale courante (en Z) est disponible sur les deux logiciels et est à vérifier régulièrement de sorte à

s’assurer que la pointe reste bien en contact avec la surface de l’échantillon pendant l’intégralité de la nanomanipulation. Des valeurs inadaptées amènent souvent une dégradation soit de la pointe soit de l’échantillon. Il est également possible sur le logiciel du JPK de réduire la plage de mouvement en Z du piezo afin de diminuer le bruit électronique et d’optimiser la résolution verticale en Z des images.

Si la microscopie AFM et la nanomanipulation seules sont recherchées, alors le JPK est le système le plus adapté tant en terme d’imagerie que de nanomanipulation. Les équipes d’Achim Hartschuh du LMU à Munich et de François Guillaume de l’ISM de Bordeaux possèdent des très bons dispositifs AFM/Raman de configuration inversée (à des fins d’imagerie de nano-objets et de TERS). Toutefois nous souhaitons être capable de repérer, imager, manipuler, et analyser la diffusion Raman de nano-objets qui ne sont pas systématiquement déposés sur des substrats transparents. Cette configuration ne pourra pas répondre à l’ensemble de nos projets. Le NT MDT NTEGRA « Upright » est tout de même très bon dans ces domaines et présente les avantages d’être ouvert et de permettre un couplage direct avec le spectromètre Raman. De plus le déplacement de la platine-échantillon, et non de la pointe, offre deux types de « balayage » particulièrement utiles une fois l’AFM couplé au spectromètre:

- un premier mode permettant une mesure Raman simultanée à la mesure

topographique AFM, grâce au bon alignement du laser « Raman » avec l’objectif

Mitutoyo et la pointe AFM.

Figure 7: Exemples de nanomanipulations avec les deux AFM; a) Déplacement d'une bille avec le NT MDT. Les fils observés sont des nanotubes de carbone. La flèche noire représente le trajet de la pointe AFM en contact ; b) 3 images successives de manipulation de

79 - un second mode autorisant le laser à être balayé seul autour de la pointe immobile

grâce à un miroir (appelé « scanner ») en amont de la tête de mesure AFM et de l’objectif Mitutoyo.

Ces options seront plus détaillées lors de la partie I3) sur le couplage AFM/Raman et le protocole de mise en œuvre d’une mesure. Les AFM JPK et NTMDT se trouvent donc être complémentaires et ont tous deux été utilisés en fonction des besoins rencontrés durant ma thèse.