Chapitre 1 : Phénomènes de stockage et dissipation de charges électriques
III- 2.d) Les différents modes de fonctionnement disponibles pour la mesure de la topographie
Il existe deux façons différentes d’obtenir le signal de topographie AFM : en maintenant un contact entre la pointe et la surface (mode contact) ou en faisant osciller la pointe, à sa fréquence de résonance, à proximité immédiate de la surface (mode contact intermittent). Un troisième mode existe, le mode non contact, qui est particulièrement utilisé pour les mesures sous vide mais il ne
30
sera pas présenté ici. Historiquement le mode en contact a été développé en premier. Ces deux modes présentent des avantages et inconvénients qui justifient leur utilisation pour différentes applications.
Le mode contact
Dans le mode contact, l’image de la topographie est faite en mesurant la déflexion du bras de levier lorsque la pointe est en contact avec la surface (Fig. 1.12). La déflexion mesurée est alors directement une image du relief de la surface. Pour la mesure deux modes d’asservissement sont disponibles :
- l’asservissement en hauteur : dans cette méthode la sonde est maintenue à une hauteur h fixe, et on mesure les variations de la déflexion du bras de levier. La force appliquée entre la pointe et la surface varie en fonction du relief. Cette méthode est utilisée pour les échantillons avec un faible relief.
- l’asservissement en force : dans cette méthode on va chercher à maintenir la déflexion du bras de levier constante. On mesure alors l’écart entre la déflexion de référence et la déflexion mesurée, et la différence relative de hauteur par rapport au point précédent est calculée. Ensuite la sonde est remise à la hauteur nécessaire pour obtenir la déflexion de référence. Cette méthode permet de contrôler et minimiser la force de contact entre la pointe et l’échantillon et est la plus utilisée.
Figure 1.12 : Schéma de principe du fonctionnement du mode contact
Lors du contact entre la sonde et la surface de l’échantillon, on cherche à minimiser les forces d’interaction pour n’endommager ni la surface ni la pointe. En théorie on cherche à se retrouver avec une déflexion nulle (au point C de la courbe de force Fig. 11) mais, en pratique on se déplace légèrement vers le point D pour éviter de perdre le contact avec la surface lors du balayage.
31
Dans le mode contact intermittent, la pointe oscille et vient toucher la surface durant un court instant dans le cycle oscillant (Fig. 1.13). Pour cela une tension sinusoïdale est appliquée à un système piézoélectrique en contact avec la pointe :
Vpz= Vacsin (ωt + φ) (10)
Avec Vac l’amplitude, ω la pulsation et φ le déphasage. Cela va entrainer une oscillation du bras de levier, à la même fréquence, avec une amplitude :
δ(t) = δ0sin (ωt + φ) (11)
L’amplitude d’oscillation δ0 va être fixée par la tension Vac. La distance entre la sonde et la surface sera adaptée en fonction de l’amplitude d’oscillation choisie. En effet, une diminution de la tension Vac induira une diminution de l’amplitude d’oscillation. Par conséquent, pour que la pointe puisse toucher la surface il faudra diminuer la distance qui les sépare. De plus, l’amplitude d’oscillation est utilisée pour mesurer la distance entre la pointe et la surface lors de la mesure : plus la pointe se rapproche de la surface plus l’amplitude d’oscillation diminue, et inversement plus elle s’éloigne plus l’amplitude d’oscillation augmente (Fig. 1.13). Puis une fois la mesure de l’amplitude d’oscillation effectuée, la distance entre la pointe et la surface est ajustée pour retrouver la valeur de consigne.
Figure 1.13 : Schéma de principe du fonctionnement du contact intermittent De même que pour le mode contact, deux méthodes d’asservissement sont possibles :
- l’asservissement en hauteur (Fig. 1.13.A et B) : en bloquant la position de la sonde en hauteur, la pointe balaye la surface. L’amplitude d’oscillation varie alors. De même que pour le mode contact, cela ne permet pas de mesurer les forts reliefs.
- l’asservissement en amplitude (Fig. 1.13.A et C) : dans ce mode on fixe une amplitude d’oscillation de référence. Une fois un point de mesure acquis la sonde incrémente sa position et on obtient alors une amplitude d’oscillation différente. Cette amplitude est utilisée pour mesurer la différence de hauteur avec le point précédent. Puis l’amplitude
32
d’oscillation est ramenée à l’amplitude de référence en ajustant la position verticale de la pointe. Ce mode est plus largement utilisé que le précédent, et permet de mesurer des reliefs assez importants (quelques micromètres).
Ce mode contact intermittent permet une mesure peu intrusive sur l’échantillon (temps de contact court). Dans ce mode on cherchera à maximiser l’amplitude d’oscillation sans toutefois endommager l’échantillon (contact pointe/échantillon violent). En effet, une plus grande amplitude d’oscillation permet d’atteindre une meilleure résolution de mesure. Ainsi, on cherchera un compromis entre résolution et intrusion de la mesure comme précédemment.
Comparaison des modes contact et contact intermittent
De manière globale, quel que soit le mode de mesure, l’asservissement en hauteur est toujours plus rapide lors du balayage mais limité à l’observation de surfaces relativement lisses (quelques nanomètres de relief). Le tableau 1.2 compare les spécificités de chacune des techniques. On constate que si le mode contact a l’avantage d’une vitesse de balayage rapide, l’importance des forces de frottement générées par la pointe peut endommager cette dernière et/ou la surface de l’échantillon.
Intrusion Temps d’acquisition Sensibilité
Contact Forte (force de
frottement important)
Court Déflexion
Contact intermittent Faible Long (vitesse de balayage en moyenne deux fois plus lente)
Amplitude d’oscillation
Tableau 1.2 : Spécificités des méthodes de mesure de la topographie en mode contact et en mode contact intermittent
Ainsi, au détriment de la vitesse de balayage, le contact intermittent est privilégié pour la faible intrusion de la mesure. Toutefois, on retrouve des mesures faites en mode contact lors de l’observation sous milieu liquide (observation de cellule, membrane,…) [43]. En effet, il est parfois difficile dans un milieu liquide de faire des mesures avec un bras de levier oscillant.
33