Les techniques de microscopie à force atomique (AFM) et à effet tunnel (STM) s’intéressent à la surface d’un échantillon (sa structure et ses propriétés).
Une sonde fine, invisible à l’œil nu, balaie point par point la surface de l’échantillon à une distance de quelques nanomètres. Les images obtenues sont des cartographies à très haute résolution (à l’échelle du nm) de la surface de l’échantillon. Elles permettent de connaître sa topographie, sa rugosité et diverses propriétés de surface (magnétiques, mécaniques et électriques).
L’AFM permet de travailler à l’air et en milieu liquide.
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Collaboration locale avec le CEISAM dans le cadre de l’ANR AZOTICS.
Utiliser un microscope STM pour imager la surface d’un matériau à l’échelle atomique :
Le microscope à effet tunnel (en anglais, STM pour Scanning Tunneling Microscope) permet d’imager la surface d’un matériau à l’échelle atomique dans l’espace direct et d’en sonder la densité locale des états électroniques, grâce à la mesure du courant tunnel généré entre une pointe métallique et un échantillon conducteur lors de l’application d’une différence de potentiel entre eux.
La figure ci-contre présente l’image STM de la surface d’un échantillon de 1T-TaS2 obtenue dans le mode d’imagerie à courant constant et à température ambiante. Elle montre simultanément le réseau atomique et le super réseau des ondes de densité de charge.
Échantillon : IMN, L. Cario et E. Janod.
Images : IMN, P. Bertoncini.
Déterminer les domaines magnétiques et les variations des champs magnétiques de la surface d’un échantillon :
Un microscope à force magnétique (MFM) est un microscope à force atomique (AFM) avec une pointe magnétique. Les forces mesurées résultent des interactions entre la pointe magnétique et la surface, et le signal recueilli traduit les variations de l’aimantation de la surface de l’échantillon. Les images MFM sont représentatives des domaines magnétiques et reflètent également les variations des champs magnétiques au niveau de la surface d’un échantillon.
Sur la figure ci-contre, on voit la topographie de l’échantillon (partie gauche) et la cartographie des domaines magnétiques (image de phase MFM) d’un acier Duplex.
Échantillon : IMN, E. Bertrand et P. Paillard.
Images : IMN, P. Bertoncini.
Déterminer des courbes de données force-distance :
L’AFM permet d’enregistrer des courbes de force-distance en amenant la pointe AFM en contact avec la surface de l’échantillon puis en l’éloignant.
Les courbes d’approche permettent, tout en déterminant la topographie de surface de l’échantillon, d’en quantifier la déformation mécanique et d’extraire le module élastique.
Les courbes de retrait permettent de mesurer différentes forces d’adhésion entre la pointe AFM et l’échantillon, des forces d’interaction, d’étirer des molécules, etc.
Sur la figure ci-contre, on peut voir un exemple de courbes : de force approche (en gris) et retrait (en noir). Elles ont été enregistrées lors de la mise en contact d’une cellule vivante immobilisée sur un microlevier avec la surface d’une boite de Pétri avant d’en être détachée.
Courbes : IMN, P. Bertoncini.
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