Soutenance mémoire
Le microscope : dispositif expérimental et schémas de blocs
Dispositif expérimental
Les travaux expérimentaux exposés dans ce manuscrit ont été menés dans un bâti ultra vide avec des pressions de l’ordre de 1.10⁻⁹ à 5.10⁻¹¹ Torr. La préparation des échantillons ainsi que leur observation en champ proche, toujours à température ambiante .
Dans cette enceinte, l’ultra vide est atteint et maintenu grâce à trois systèmes de pompage complémentaire :
– Une pompe à palettes permettant d’atteindre un vide primaire de 1.10⁻³ Torr
– Une pompe turbomoléculaire pour atteindre la gamme de 1.10⁻⁸ Torr
– Une pompe ionique, assisté d’un sublimateur au titane, pour arriver en ultra vide.
Ce vide poussé est indispensable pour maintenir propre le plus longtemps possible les échantillons à observer. De plus, il permet d’éviter les phénomènes d’adhésion de la sonde champ proche avec les surface à cause d’effets de capillarité [Isr92]. La disparition des phénomènes de viscosité et de frottement de la sonde dans son milieu permet d’obtenir de grands facteurs de qualité, environ cent fois plus élevés qu’à l’air. Parmi les éléments majeurs de ce bâti (figure 2.1) on trouve :
– Un sas permettant le transfert des sondes pour la microscopie champ proche et des échantillons dans l’enceinte sans y rompre l’ultra vide
– Un canon à ions d’argon utilisé pour nettoyer les surfaces par bombardements
– Un four à filament et un four à lampe halogène permettant d’atteindre les 1000˚C afin de procéder à des recuits des échantillons et/ou de chauffer les pointes du microscope pour enlever d’éventuels contaminants
– Un évaporateur à creuset et à filament qui permet de faire des dépôts métalliques (or, argent, cobalt, chrome et cuivre) à chaud sur les surfaces. La vitesse du dépôt étant calibrée à l’aide d’une balance à quartz .
L’AFM peut être utilisé en mode statique ou oscillant. La figure 2.2(b) schématise la sonde AFM, nommée cantilever, avec le système de détection optique permettant de traduire les déflexions mécaniques de la poutre, en fonction de l’interaction avec la surface, en signal électrique exploitable par une électronique de contrôle. Cette conversion mécano-électrique se fait via un système de source lumineuse fixe (laser ou diode électroluminescente (LED)) dont le faisceau est réfléchi par le cantilever sur une photodiode à quatre quadrants fixe. Ces quadrants du récepteur permettent de détecter soit les torsions latérales de la poutre soit les déflexions normales. Les cantilevers utilisés sont en silicium dopé n dégenéré [Tip]. Les dimensions (annexe B) sont de l’ordre de la centaine de microns en longueur pour quelques dizaines de microns en largeur. Une pointe pyramidale d’environ une dizaine de microns en hauteur se trouve à l’extrémité de la poutre. C’est l’apex de cette pointe qui va scruter la surface de l’échantillon et de lui dépendra en grande partie la qualité des images obtenues. Ce cantilever est collé à la colle époxy chargée en argent sur un support bloqué mécaniquement sur un porte-pointe visible sur la figure 2.2(a). En mode AFM dynamique, on excite électriquement la céramique piézo-électrique située derrière le porte-pointe. Avec un signal électrique possédant une fréquence proche de la résonance du cantilever (annexe B) on fait alors vibrer celui-ci. Les fréquences de résonance typique de ces cantilevers vont de quelques dizaines à quelques centaines de kiloHertz. Ce résonateur possède une bande passante de l’ordre de quelques Hertz, dans ce vide poussé, pour des constantes de raideur allant de 20 à 40 N.m−1 . Le facteur de qualité d’un tel système peut avoisiner des valeurs de l’ordre de 40000.
Système de contrôle du microscope AFM
Il existe plusieurs méthodes pour contrôler la distance pointe-surface en fonction de l’interaction de surface subie par la pointe du cantilever. L’électronique de commande détecte cette interaction en exploitant le signal sortant de la photodiode. Grâce à un mouvement dans le plan de l’échantillon via un actionneur piézo-électrique (voir culasse du porte échantillon motorisé en x, y et z sur la figure 2.2(b)), on peut donc créer une image topographique. En effet, la comparaison du signal traité, sortant de la photodiode, à une valeur de consigne permet d’obtenir une régulation pointe surface grâce à un servomécanisme piézoélectrique en z. La combinaison du balayage de la surface en x, y avec la régulation en distance z permet de créer l’image.
Le mode Contact
Dans cette configuration, l’apex de la pointe “palpe” le relief de surface. Une déflexion normale négative du signal de photodiode indique une force pointe-substrat attractive alors qu’une déflexion normale positive indique une force répulsive du substrat. Grâce à cette déflexion, on peut donc faire une régulation de la distance pointe-surface sur une consigne de force. Nous avons utilisé ce mode pour la calibration du système optique de détection et dans de rares cas pour faire évoluer l’apex de la pointe par frottement sur la surface.
Le mode Excitation Constante
Dans ce cas, on fait vibrer le cantilever à une amplitude d’excitation constante à une fréquence proche de sa fréquence de résonance. Le signal recueilli aux bornes de la photodiode est alors sinusoïdal avec une amplitude dépendant de l’interaction de surface. La mesure de cette amplitude et de la phase entre le signal d’excitation et le signal de réponse, venant de la photodiode, se fait au moyen d’une électronique qui sera décrite ultérieurement dans le manuscrit. Nous utiliserons ce mode de fonctionnement au chapitre 5. On peut donc réguler la distance pointe-surface sur une consigne d’amplitude ou de phase pour obtenir des images topographiques. Dans la littérature ce mode de fonctionnement dynamique de l’AFM porte plusieurs appellations : AM-AFM (AM pour “modulation d’amplitude”), Contact Intermittent ou “Tapping”, en anglais. Ce mode de régulation est dépendant des variations d’amplitude du cantilever. L’amplitude étant stabilisée au bout d’un temps τc = Qc/(π f0) [AGHR91], Qc étant le facteur de qualité du résonateur et f0 sa fréquence de résonance, on obtient en ultra vide le régime stationnaire de l’oscillateur au bout d’environ 50 ms, pour toute variation de l’amplitude. Si l’on considère une image AFM standard composée de 256×256 pixels, il faudrait attendre environ 1 heure pour obtenir l’image ! Ce mode de fonctionnement est donc mal adapté à notre environnement pour étudier nos échantillons.
Le mode Amplitude Constante
La solution a été proposée par Albrecht et al. [AGHR91] pour pouvoir utiliser l’AFM dynamique en ultra vide. En effet, si l’on maintient l’amplitude d’oscillation du cantilever constante à une consigne A0 au moyen d’une boucle de régulation, on peut étudier l’effet des interactions sur le changement de la fréquence de résonance f0 de l’oscillateur. Ce changement de fréquence, qui se produit de façon quasi-instantanée, de l’ordre de l’inverse d’une période d’oscillation 1/ f0, est mesuré par un démodulateur de fréquence que nous décrirons en détails dans les prochains paragraphes. Ainsi, en comparant cet écart à la résonance, noté ∆f , à une consigne ∆fc, on peut réguler la distance pointe surface. C’est ce mode de fonctionnement de l’AFM, appelé FM-AFM (FM pour “modulation de fréquence”) ou Non-Contact (NCAFM) dans la littérature, que nous étudierons en détails au long de ce manuscrit.
Forces électrostatiques
On les nomme aussi forces capacitives. Elles peuvent avoir des portées d’interaction de l’ordre du micromètre. Elles sont dues à la présence de charges de surface sur l’échantillon et/ou la pointe. Il y a deux origines à ces charges :
– La première est liée à des phénomènes physiques qui échappent à l’expérimentateur. En effet, l’échantillon présent dans l’enceinte subit des évènements physicochimiques plus ou moins violents : bombardements, recuits, transferts, etc … Ceuxci peuvent produire ou révéler des charges électrostatiques sur un isolant par des défauts de surface par exemple. Les points blancs visibles sur l’image (a) à grande échelle de la surface de KBr(001) pourraient s’apparenter à de tels effets de charges piégées;
– La seconde origine est contrôlée par l’expérimentateur. Effectivement, celui-ci a la possibilité d’appliquer une différence de potentiel entre la pointe conductrice et le substrat. L’utilité de cette tension de polarisation est de compenser les charges de surface de l’échantillon afin de réduire au mieux cette contribution à longue portée qui agit comme un brouillard de force empêchant l’obtention de la résolution atomique en AFM.
Dans un but de simplification du problème de mobilité des charges, que nous verrons plus en détails au chapitre 5, nous rendons compte de leurs effets sur le système par un potentiel effectif noté Ve f f entre la pointe et la région observée sur la surface de l’échantillon. On peut alors assimiler le système à un condensateur variable Cpointe−surf ace par la distance D entre la sonde et le substrat avec la tension Ve f f sur les armatures.
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Table des matières
1 Introduction générale
2 Présentation du microscope
2.1 Le microscope : dispositif expérimental et schémas de blocs
2.1.1 Dispositif expérimental
2.1.2 Système de contrôle du microscope AFM
2.1.3 Schéma de blocs
2.2 Les forces de surface
2.2.1 Forces électrostatiques
2.2.2 Forces de dispersion
2.2.3 Forces chimiques
2.2.4 Forces répulsives
3 Eléments d’Automatique
3.1 Automatique linéaire
3.1.1 Cas général
3.1.2 Un exemple pédagogique : le circuit RLC
3.2 Automatique non linéaire
3.2.1 Conventions et méthode
3.2.2 Cas pratique : Interaction sonde-surface
3.2.3 Stabilité, phénomène du saut
4 Automatique du microscope
4.1 La machine AFM dynamique du point de vue automatique
4.1.1 Considérations fréquentielles
4.1.2 Evolution de la fréquence de résonance en fonction du réglage du déphaseur
4.1.3 Le Contrôle Automatique de Gain (AGC)
4.1.4 La Boucle à Verrouillage de Phase (PLL) : entretien de l’oscillation, mesure de la fréquence
4.1.5 Le Contrôle Automatique de Distance (ADC)
4.2 Les Bruits
4.2.1 Sources de bruits
4.2.2 Bruits dans le Contrôle Automatique de Gain (AGC)
4.2.3 Bruit en sortie du démodulateur de fréquence
4.2.4 Bruit en distance dans le Contrôle Automatique de Distance (ADC)
4.3 L’AFM virtuel
4.3.1 Validation de l’outil numérique
4.3.2 Calcul d’images en Non-Contact AFM
5 Etudes expérimentales de l’effet non linéaire de l’interaction de surface
5.1 Système expérimental
5.2 Courbes de résonance sur une surface d’alumine
5.2.1 Exploitation des courbes de résonance
5.2.2 Courbes d’approche-retrait en mode AM-AFM et calibration de l’amplitude
5.2.3 Courbes d’approche en mode AFM Non-Contact
5.2.4 Evaluation de la constante de Hamaker
5.3 Courbes de résonance sur une surface de cuivre
5.3.1 Résultats
5.3.2 Le rôle de l’oxyde de pointe
6 Etudes expérimentales sur une surface de molybdénite
6.1 Le système
6.1.1 La surface de MoS2
6.1.2 Clusters d’or
6.1.3 Molécules d’octanedithiol
6.2 Régulation sur le courant tunnel
6.2.1 STM statique
6.2.2 STM oscillant
6.3 Régulation sur le signal de dissipation
6.4 Régulation sur le signal d’écart en fréquence
6.5 Phénomènes de gradient d’écart en fréquence sur les clusters d’or
6.5.1 Modélisation
6.5.2 Méthodes numériques
6.5.3 Résultats
7 Conclusion générale
Bibliographie
Annexes
