Syst` eme de positionnement

Pour pouvoir imager des structures magn´etiques individuellement, il faut pou- voir balayer la pointe sur la surface de mani`ere pr´ecise, reproductible et lin´eaire : cette fonction est assur´ee par des tubes pi´ezo´electriques. D’autre part il faut ˆetre `a mˆeme de placer pr´ecis´ement la pointe au dessus de la structure, avec une pr´ecision sup´erieure `a la taille maximale du balayage : c’est le rˆole d´evolu dans notre dispositif aux moteurs pi´ezo´electriques.

1.3.2.1 Balayage microm´etrique avec tubes pi´ezo´electriques

La figure1.16 indique le principe retenu pour le balayage microm´etrique pointe- ´

echantillon. Notre syst`eme est constitu´e de deux cylindres pi´ezo´electriques imbri- qu´es, dont les axes pi´ezo´electriques sont dispos´es de mani`ere `a convertir une tension appliqu´ee entre les faces ext´erieur et int´erieur en ´elongation verticale.

Sur le cylindre ext´erieur, les tensions Vz et −Vz sont appliqu´ees uniform´ement

sur les ´electrodes int´erieure et ext´erieure, elles contrˆolent donc la position verticale de l’´echantillon. Au contraire, le tube int´erieur est segment´e en quatre parties sur lesquelles on applique des tensions Vx, −Vx, Vy et −Vy, l’´electrode centrale ´etant `a

la masse. L’´elongation d’un cˆot´e du tube, accompagn´ee de la contraction du cˆot´e oppos´e conduit `a un d´eplacement lat´eral du porte-´echantillon, comme d´ecrit sur la figure 1.17-b).

Ce syst`eme de d´eplacement permet une amplitude de balayage limit´ee dans notre cas `a ±20µm dans chaque direction lat´erale, et `a ±3µm verticalement. Ces valeurs d´ependent de la longueur et de l’´epaisseur des tubes et des constantes pi´ezo´elec- triques des c´eramiques utilis´ees. Nous avons choisi ce syst`eme de double tube afin de gagner en d´ebattement vertical tout en conservant un faible encombrement. L’uti- lisation d’un tube pi´ezo´electrique pour le balayage induit des non-lin´earit´es dans la fonction de la position en fonction des tensions appliqu´ees. Cet aspect peut n´ean- moins ˆetre corrig´e sur le syst`eme Nanoscope par une proc´edure de calibration sp´e- cifique.

Vis de serrage Plaque d’alumine y Déplacement vertical Cylindre métallique x z Balayage (x,y) Porte−échantillon Tube extérieur Tube intérieur

Fig. 1.16 – Vue sch´ematique en coupe des tubes pi´ezo´electriques assurant les ba- layages microm´etriques (x,y) et z.

x V −V V −V_x −V x y y V_x

b)

a)

Fig. 1.17 – Sch´ema de principe des tubes pi´ezol´ectriques. a) Vue de dessus des deux tubes avec ´electrodes et branchements ´electriques. b) Principe du d´eplacement lat´eral avec un tube segment´e.

1.3 D´eveloppement d’un Microscope `a Force Magn´etique sous champ 25 1.3.2.2 Moteurs pi´ezo´electriques

Ces moteurs sont n´ecessaires pour le positionnement sous la pointe des nano- structures `a observer ; l’utilisation de moteurs pas `a pas traditionnels ´etant impos- sible parce qu’ils sont intrins`equement magn´etiques, nous avons utilis´e des moteurs dont le principe de fonctionnement repose sur le ph´enom`ene de stick-slip. Les tubes pi´ezo´electriques de balayage, portant le porte-´echantillon, sont coll´es sur une plaque d’alumine. C’est cet ensemble que les moteurs font bouger, la pointe restant toujours fixe.

La plaque d’alumine est donc fix´ee, comme il est repr´esent´e sur la figure 1.18, entre quatre sph`ere de rubis que portent des empilements pi´ezo´electriques : trois au dessus et un en dessous port´e par une plaque m´etallique en pr´econtrainte. Cela assure que la plaque reste dans un plan `a une altitude z fix´ee.

en rubis

Plaque d’alumine

Tubes piézoélectriques Socle du microscope Piézoélectriques

Empilements Sphère

Fig. 1.18 – Vue sch´ematique du dessous du socle du microscope. Les empilements pi´ezo´electriques (repr´esent´es en vert) assurent le positionnement de la plaque d’alu- mine portant l’´echantillon par rapport `a la pointe, par un principe de stick-slip.

Une rotation de la plaque autour de l’axe z est empˆech´ee par un syst`eme dit ortho-contraigneur, constitu´e d’un cylindre coud´e `a angle droit coulissant dans des pi`eces orthogonales ajust´ees, et non repr´esent´e sur la figure. Les deux degr´es de libert´e possibles de la plaque sont donc les translations suivant x et y, qui reposent sur les empilements pi´ezo´electriques. Ceux-ci sont constitu´es de deux c´eramiques pi´ezo´electriques, ayant des axes d´ecal´es de 90 °autour de l’axe z, et d´elimit´es par trois ´electrodes, (cf la figure 1.19). On applique entre deux ´electrodes une rampe de tension lente, typiquement de quelques dixi`emes de millisecondes, ce qui d´eplace la sph`ere de rubis par rapport au support (1.19-2). La plaque est entraˆın´ee par ce mouvement lent. On coupe ensuite brutalement (en une fraction de microseconde) la tension appliqu´ee, ce qui ram`ene les sph`ere de rubis `a leur position d’origine. L’ensemble {plaque +les tubes pi´ezo´electriques} dont la fr´equence de r´esonance m´ecanique est beaucoup plus basse que celle des empilements pi´ezo´electriques, ne r´epond pas `a cette excitation `a haute fr´equence : il reste `a la mˆeme position. Au cours d’un cycle la plaque s’est donc d´eplac´ee d’une fraction de micron correspondant

au d´ebattement des empilements pi´ezo´electriques. En r´ep´etant l’op´eration un grand nombre de fois on peut d´eplacer rapidement l’´echantillon par rapport `a la pointe sur un millim`etre. L’amplitude du mouvement est en fait limit´ee `a ±1 mm uniquement par le socle du microscope qui bloque le d´eplacement des tubes.

0 000 111 V_x V_x 0000 0000 0000 1111 1111 1111 0000 0000 0000 1111 1111 1111 0000 0000 0000 1111 1111 1111 Temps V_y 1 2 3 1 2 3 000 111000111 000111000111 000 111 000 111

Fig. 1.19 – Principe de fonctionnement des moteurs pi´ezo´electriques. La plaque d’alumine (en violet) est serr´ee par les sph`eres de rubis port´ees par des empilements pi´ezo´electriques (1). Lorsqu’on applique une rampe de tension Vx sur les c´eramiques

pi´ezo´electriques, celles-ci se d´eplacent en entraˆınant la plaque (2). La tension est en- suite coup´ee brutalement se qui ram`ene les sph`eres de rubis `a leur position originelle mais sans d´eplacer la plaque. Cet incr´ement de translation est r´ep´et´e pour effectuer le d´eplacement. en dessous trace de la tension appliqu´ee au cours du cycle.

Les tensions de commande, de plusieurs centaines de volts, sont g´en´er´ees par un contrˆoleur commercial Omicron. L’op´erateur effectue l’alignement point/´echantillons avec un contrˆole optique `a l’aide d’une monoculaire.

1.3.3

Microscope `a Force Magn´etique sous champ