Chapitre IV: Etude des propriétés magnétiques des films de NPs
III.1 Techniques utilisées
III.1.1 Le microscope à force magnétique (MFM)
Le microscope à force magnétique (MFM) est un microscope à force atomique (AFM) qui utilise une pointe recouverte d’une fine couche d’un matériau magnétique. Comme tous les microscopes à champ proche ou microscope à sonde locale, l’AFM consiste à acquérir une image en 3 dimensions où x et y correspondent aux dimensions spatiales de l’échantillon tandis que la direction z dépend de la force exercée par l’échantillon sur la pointe qui est détectée en utilisant le signal réfléchi d’un faisceau laser envoyé sur le levier sur lequel est fixée la pointe.
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Figure 107 : Principe de la microscopie à force atomique (AFM) ou à force magnétique (MFM).
Source : http://pharm.virginia.edu
Dans le cas de la MFM, la force agissant sur la pointe dépend du moment magnétique de la pointe et du champ de fuite de l’échantillon. Les interactions magnétiques entre la pointe et l’échantillon varient en 1/r4 tandis que les interactions de Van der Waals prédominent à courte distance (dépendance en 1/r7). Afin de distinguer le signal dû aux variations de la topographie de l’échantillon et celui dû aux propriétés magnétiques de l’échantillon, l’enregistrement d’une image MFM est effectué en deux temps : la pointe balaye une première fois l’échantillon à faible hauteur pour acquérir le signal topographique puis la pointe est rétractée de l’échantillon. Un second balayage est ensuite effectué à plus grande distance de l’échantillon, ce qui permet de mesurer le signal magnétique en s’affranchissant de la contribution de la topographie. Ces deux passages successifs permettent de constituer une ligne de l’image AFM et la ligne correspondante de l’image MFM. Puis la pointe est décalée pour mesurer la ligne suivante. Pour chaque mesure, on obtient donc une image topographique (AFM) et l’image magnétique correspondante (MFM).
En MFM les zones d’intensité (i.e. de couleur) identique correspondent à des zones ayant une réponse identique vis-à-vis de la pointe magnétique, c’est-à-dire ayant les mêmes caractéristiques magnétiques.
III.1.2 Holographie électronique
III.1.2.1 Préparation des échantillons
L’holographie électronique nécessite de travailler sur une grille de microscopie, composée d’une grille de cuivre recouverte d’une membrane de carbone. Dans ce cas les NPs sont déposées sans réaction de click mais par simple évaporation du solvant d’une suspension de NPs.
Une solution de NP20 très diluée (0.05 mg/ml) est préparée dans un mélange de tétrahydrofurane et de triéthylamine (9/1 en volume). Un volume précis est déposé sur la grille de microscopie en présence d’un champ magnétique et le solvant est évaporé totalement sans modifier cette disposition. La Figure 108 représente schématiquement les configurations utilisées pour déposer des chaînes de NPs sur une grille de MET et les images MET des échantillons obtenus.
165 Figure 108 : (a, b) Représentations schématiques des configurations utilisées pour déposer des chaînes de NPs sur une membrane de MET et (c, d) Image MET des échantillons obtenus avec les configurations décrites ci-dessus à partir de 800 µl de suspension de NP20 dans le THF/ Et3N (9/1).
Dans les mêmes conditions, en laissant évaporer 800 µl de suspension de NP20, des NPs isolées sont obtenues avec l’aimant utilisé pour le début de cette thèse. En remplaçant l’aimant par un dispositif permettant de créer un gradient de champ magnétique (Trois aimants d’un côté du pilulier et une pièce métallique de l’autre côté) des chaînes de NPs de 8-9 NPs de longueur sont obtenues. En modulant le volume de solvant utilisé, il est possible de contrôler la longueur des chaînes. Une chaîne de NP20 composée de 38 NPs a été obtenue en déposant 2 ml de suspension sur une grille de microscopie et sera étudiée en holographie électronique.
III.1.2.2 Principe
L’holographie électronique effectuée par un microscope électronique à transmission (MET) permet d’obtenir un contraste de phase et donc de cartographier l’aimantation. En effet, un désavantage du MET est que l’information du décalage de phase est perdu lorsque le faisceau d’électrons traverse l’échantillon ce qui ne permet pas d’enregistrer la phase d’un échantillon184, 185.
Le principe avancé par le Physicien Dennis Gabor consiste à imager sans lentille un échantillon en faisant se propager une onde dans l’espace selon une équation d’onde connue. S’il est possible d’enregistrer la totalité de l’onde (amplitude et phase) par un détecteur à une certaine distance, l’onde peut être re-propagée selon la même équation d’onde. La détection totale de l’onde (amplitude et phase) est effectuée en faisant interférer l’onde propagée avec une onde cohérente de
Aimant Gradient de champ magnétique
500 nm
0 . 5 µ m 0 . 5 µ m
B8 B7 A9 A2
B1
500 nm
a b
c d
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référence. Les franges d’interférences ainsi crées peuvent être modulées en contraste et en position en modulant respectivement l’amplitude et la phase de l’onde. L’onde ainsi enregistrée totalement est un réseau d’interférences appelé hologramme.
A partir de cet hologramme l’image peut être reconstruite en une image d’amplitude et une image de phase. A partir de l’image de phase, les champs électriques et magnétiques peuvent être déterminés quantitativement,185 le décalage de phase étant sensible à la composante dans le plan de l’induction magnétique et le potentiel électrostatique de l’échantillon.184 La résolution latérale est de l’ordre de quelques nanomètres.
III.1.2.3 Protocole expérimental
En pratique l’échantillon étudié en holographie est caractérisé sur les deux faces de la membrane pour obtenir deux hologrammes de la zone étudiée afin de s’affranchir de la contribution électrique de l’échantillon en effectuant la soustraction de ces deux hologrammes. Afin de s’affranchir des effets de bruit dus à la membrane et aux franges d’interférence, une zone de référence est aussi caractérisée sur les deux faces.
Un fil d’oxyde d’aluminium recouvert de platine polarisé est introduit dans le faisceau d’électrons du microscope ce qui dévie les électrons en deux faisceaux de part et d’autre du fil. Ces deux faisceaux se superposent le long d’une bande dont la largeur augmente avec le potentiel appliqué au câble. Les deux images initialement des deux cotés du fil se superposent. Les positions du câble et de l’échantillon sont choisies de telle sorte que l’objet à étudier soit situé dans une des images et que l’autre image contienne le moins de matière possible. Dans le meilleur des cas la seconde image correspond à un trou de la membrane de la grille MET mais le plus souvent la seule possibilité est de se placer à un endroit vide de la membrane. Après avoir enregistré les hologrammes sur les deux faces de la grille MET, la reconstruction de phase conduit à la caractérisation complète de l’onde d’électron. Les contributions dans le plan du potentiel électrostatique et des variations locales de l’aimantation sont déduites de l’image d’amplitude et de phase respectivement.