Protocole expérimental

Afin de mesurer les forces électrostatiques générées, des wafers de silicium ont été fonctionnalisés. Les mesures de forces étant faites à l’aide d’un AFM, la microsphère de borosilicate collée à l’extrémité du levier est elle aussi fonctionnalisée par le même procédé.

Collage des billes sur les poutres AFM

Les micro-billes de 10µm à 100µm de diamètre (Neyco) sont collées à l’extré- mité des leviers en nitrure de silicium (BudgetSensors) à l’aide d’une colle polymérisable par UV. Les dimensions du levier sont de 350µm de long, 35µm de large et 2µm d’épaisseur. Les billes de plus petits diamètres sont achetées directement collées au levier.

Fonctionnalisation des surfaces et des billes

Les greffages sont faits sur des wafers de silicium préalablement nettoyés par 45 minutes d’exposition à l’UV-ozone (Novascan) puis 20 minutes d’immer- sion dans une solution de pirahna (2/3 H2SO4 et 1/3 H2O2) à 80˚C pour

enlever tous les résidus organiques de la surface. Les wafers sont ensuite rin- cés à l’eau milliQ et à l’éthanol. Les billes fixées aux leviers sont uniquement nettoyées par UV-ozone afin de ne pas détériorer la colle.

La solution de greffage est préparée juste avant l’utilisation par dissolution de l’APTES (99% Acros organics) dans l’éthanol. La concentration finale en silane est de 1%. Les wafers et les billes sont ensuite immergés pour 24 heures dans la solution greffante. Comme nous l’avons vu dans le chapitre 2, la formation des liaisons covalentes entre les molécules d’APTES et la surface de silicium hydraté permet l’obtention d’une monocouche sur la surface. L’excédent de molécules non greffées est enlevé de la surface par une légère sonication, puis la surface est nettoyée par immersion dans l’éthanol et dans l’eau milliQ. Il est possible de conserver la surface greffée dans l’eau milliQ ou bien de la sécher par un flux d’azote.

Mesures de forces

Pour générer des charges sur les surfaces et les billes fonctionnalisées, il est nécessaire de se placer en milieu liquide. De plus, comme nous allons le voir, les forces que nous générons nécessitent une grande course de l’AFM. Nous utilisons donc un système d’AFM à tête libre sous laquelle est placée une plateforme motorisée qui permet de déplacer l’échantillon sur plusieurs dizaines de micromètres en z durant les mesures. L’appareillage est décrit sur la figure 4.5. diode laser photodiode levier milieu liquide table motorisée en z Z prisme substrat

Figure 4.5: Schéma du dispositif AFM en milieu liquide.

le chapitre 2, page 56. Avant chaque série de mesures, un calibrage de la poutre est exécuté en réalisant une courbe d’approche-retrait sur un substrat dur de tungstène, ceci permet d’obtenir la pente au contact. Le calibrage nécessite également un étalonnage de la raideur de la poutre par mesure des vibrations à l’aide de la fréquence propre de résonnance de la poutre. Pour toutes les mesures de forces, nous avons utilisé une poutre d’une rai- deur de 0,3N/m, à l’extrémité de laquelle est collée une bille de borosilicate. Toutes les mesures ont été réalisées avec une bille de 10µm sauf celles concer- nant l’influence du diamètre de la sphère pour lesquelles nous avons utilisé des billes de 1 à 100µm de diamètre. La vitesse des mesures est de 200nm/s afin de s’affranchir des forces hydrodynamiques et les mesures sont réalisées en au minimum 10 points différents de l’échantillon. Les valeurs de force reportées dans la suite du document sont des forces mesurées très près de la surface, juste avant le contact. L’obtention d’une mesure de signe néga- tif montre une force adhésive tandis qu’une mesure de signe positif est la représentation d’une force répulsive.

Les mesures obtenues par AFM sont ensuite exploitées sous le logiciel Mat- lab. Le programme élaboré permet de convertir une courbe distance-signal photodiode en une courbe distance-force. En effet lors de cette étape, il faut prendre en compte les facteurs de conversion de la photodiode et les pertur- bations dues à l’électronique de l’AFM. C’est dans cet objectif que chaque jour ou lors du changement de poutre, une première mesure d’approche- retrait est réalisée sur un matériau dur, le tungstène. Elle a pour but de dé- terminer la pente du signal photodiode lors de la déformation de la poutre au contact (à l’approche et au retrait). Une fois cette valeur déterminée, il est possible de convertir la courbe signal photodiode-distance en force-distance à l’aide de la relation suivante :

F = k

km

Sphotodiode, (4.1)

où F est la force en Newton, Sphotodiode la composante latérale du signal de

la photodiode, k et km sont respectivement la constante de raideur (N/m)

déteminée par la fréquence propre de la poutre et la pente (m−1_{) déterminée}

sur matériaux durs.

Le traitement des mesures brutes se fait en plusieurs étapes : – Repositionnement à zéro de la base des mesures.

– Identification de la courbe "approche" par détection du changement de pente.

– Identification de la courbe "retrait" par détection du changement de pente. – Evaluation de chacune des deux pentes.

– Affectation de la valeur de la raideur déterminée par la méthode de la fréquence propre.

– Calcul de la distance réelle entre la sphère et le substrat notée z en prenant en compte la déflexion de la poutre.

– Détermination des valeurs des forces de pull-off (adhésion), de pull-in (attraction) ou de répulsion (changement de pente).

– Sauvegarde des données.

Ce traitement permet d’obtenir les courbes présentées dans le suite du cha- pitre où la force normale (en µN) est représentée en fonction de la distance z entre la bille et le substrat (en µm). Il est à noter que dans la littérature la majorité des courbes AFM utilisent en abscisses le déplacement de la base de la poutre et non la distance z.

Comme nous l’avons vu précédemment, le pH de transition de la fonction amine entre sa forme neutre et sa forme ionisée est situé à 9. Nous avons donc réalisé nos expériences à deux pH différents (pH2 et pH10). Nous avons choisi de nous placer à pH10 pour obtenir la forme neutre de la molécule et à pH2 pour être sous forme ionisée.

Plusieurs types de mesures ont été réalisées. Dans un premier temps à pH2 et à pH10, puis en faisait varier la force ionique I (voir définition page 79) et enfin avec différentes tailles de billes (voir modèle page 76). Nous nous sommes appuyés sur le modèle du chapitre 3 pour définir les paramètres à faire varier.