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Le microscope à force atomique (ou AFM pour atomic force microscope) est un dérivé du microscope à effet tunnel (ou STM), qui peut servir à visualiser la topologie de la surface d'un échantillon ne conduisant pas l'électricité. Le principe de base est strictement le même : il s'agit, pour simplifier, d'un levier surmonté d'une pointe qui suivent la surface de l'objet. La pointe balaie (scanne) la surface à représenter, et l'on agit sur sa hauteur selon un paramètre de rétro-action. Un ordinateur enregistre cette hauteur et peut ainsi reconstituer une image de la surface.
La différence entre l'AFM et le STM réside dans la mesure prise en compte pour la rétroaction utilisée : le STM utilise le courant tunnel, l'AFM utilise la déviation du levier, c'est à dire indirectement les forces d'interactions entre la pointe et la surface.
Les atomes ont souvent tendance à s'attirer ; lorsque l'affinité des atomes est proche, ils se lient pour former une molécule ou un cristal, mais dans la plupart des cas, cette attraction est très faible et n'est perceptible qu'à très faible distance (il s'agit de force de Van der Waals). À l'inverse, lorsqu'ils sont très proches, les atomes se repoussent (la fusion nucléaire nécessite des pressions énormes pour vaincre cette répulsion). Il y a donc une sorte de « distance d'équilibre » : si les atomes s'éloignent, une force les rappelle, et s'ils se rapprochent, une force les repousse.
On utilise donc cette attraction/répulsion entre les atomes surfacique et la pointe sondeuse. La pointe est montée sur un levier très flexible ; la mesure de la flexion du levier (dans un sens ou dans l'autre) donne une mesure directe de la force d'interaction entre la surface sondée et la pointe.
Il existe en fait trois modes d'utilisation de l'AFM : le mode contact, le mode non-contact, et enfin le mode "tapping" (dont une traduction pourrait être tapotement).
- Le mode contact consiste à utiliser les forces répulsives : la pointe appuie sur la surface, elle est donc repoussée par, et le levier est dévié. La rétroaction s'effectue sur la mesure de la directe de la déviation.
- Le mode tapping, de loin le plus utilisé, consiste à faire vibrer le levier à sa fréquence propre de résonnance (typiquement de l'ordre de la centaine de kHz), avec une certaine amplitude. Quand la pointe interagit avec la surface (essentiellement de façon répulsive), l'amplitude décroit (parce que la fréquence de résonnance change). La rétroaction se fait alors sur l'amplitude d'oscillation du levier.
- Le mode non-contact utilise lui les forces attractives. Il est très difficile à utiliser, et donc très peu utilisé en pratique, parce que ces forces sont faibles, et nécessite un environnement à faible bruit. Par ailleurs, la couche d'adsorbats (toute surface à l'air ambiant est recouverte d'une couche de l'ordre du nm d'épaisseur d'eau et de divers polluants) vient largement affecter les mesures - le vide est plus que conseillé pour obtenir une résolution suffisante en pratique. La rétroaction s'effectue soit sur la déviation, mais bien évidemment il s'agit d'une déviation du levier qui va dans l'autre sens que dans le cas du mode contact, soit sur l'amplitude d'oscillations.
Il existe plusieurs façons de mesurer la déviation du levier. La plus courante, et de loin, est la mesure via réflexion d'un laser.
La pointe est alors montée sur un levier réfléchissant. Un rayon laser se réfléchit sur le levier. Si le rayon laser dévie, c'est que le levier s'est infléchi (dans un sens ou dans l'autre), et donc est révélateur des forces d'interactions entre la pointe et la surface. La mesure de la déviation de la poutre passe donc par celle de la position du faisceau laser réfléchi, ce qui s'effectue au moyen d'un quadrant de photodiodes - c'est à dire une photodiode circulaire divisée en quatre part égales, selon deux diamètres.
Quand le laser n'est pas dévié, il frappe au centre du quadrant, et donc illumine également les 4 photodiodes. Si le laser vient à être dévié vers le haut, les deux photodiodes du haut recevront plus de lumière que celles du bas, et on il apparait donc une différence de tension. C'est cette différence de tension que l'on utilise pour la rétroaction.
D'autres moyens de mesure de déviation du levier comprennent une mesure de capacité, un STM qui détecte la position du levier (!), etc.
L'intérêt de la mesure par laser est essentiellement la facilité de mise en oeuvre, mais elle permet aussi d'accéder à une mesure secondaire qui est celle de la friction. En effet, la pointe balaie la surface à une certaine vitesse ; à partir du moment où elle est en contact, ceci génère des frottements, et donc infléchit le levier autour de son axe. Cette déviation implique une différence de tension non plus entre le haut et le bas du quadrant, mais entre la droite et la gauche. On peut ainsi avoir accès aux forces de frottement existant entre la pointe et la surface, et donc de façon qualitative à la nature chimique de la surface.
La résolution de l'appareil correspond essentiellement à la dimension du sommet de la pointe (on parle de rayon de courbure). Mis à part le mode non-contact, dont on a déjà souligné la difficulté de mise en pratique, l'AFM utilise des forces répulsives, c'est à dire du contact. Il en résulte que les pointes trop fines s'usent rapidement - sans compter la détérioration de la surface ! C'est là tout l'intérêt du mode "tapping" : puisque le contact est intermittent, les pointes s'usent bien moins vite, et on peut donc utiliser des pointes très fines (de l'ordre d'une dizaine de nm).
La résolution latérale est donc de l'ordre de la dizaine de nanomètres, mais la résolution verticale est par contre de l'ordre de l'Angstrom : on peut aisément visualiser des marches atomiques sur une surface propre.
Enfin, la surface visualisable dépend de la céramique piézoélectrique utilisée, et peut aller de la centaine de nanomètres à environ 150 microns.
Mais souvenons-nous que l'on a une image de synthèse, pas une « photographie » des atomes.
