La microscopie à force atomique distingue les atomes par la couleur

Résultat scientifique Génie électrique et électronique

Jusqu'ici le microscope à force atomique (AFM) permettait surtout de visualiser la topographie d'une surface à l'échelle de l'atome. Grâce à une méthode développée par des chercheurs français et japonais du laboratoire LIMMS, à Tokyo, l'AFM peut maintenant distinguer les différentes espèces chimiques présentes en leur attribuant une couleur. Ces travaux sont publiés dans la revue Applied Physics Letters.

Voir le relief de la surface d'un matériau à l'échelle des atomes, c'est bien. Mais visualiser et identifier les espèces chimiques en présence, c'est encore mieux. C'est ce que permet la méthode développée par des chercheurs du laboratoire LIMMS (Laboratory for integrated micro mechatronics systems), une unité mixte internationale du CNRS et de l'université de Tokyo, à l'aide d'un microscope à force atomique (AFM). Jusqu'ici, en effet, la fine pointe d'un microscope AFM ne permettait de visualiser que la topographie de la surface étudiée. Distinguer les espèces d'atomes présents en surface était possible, mais au prix de mesures délicates qui pouvaient durer des dizaines d'heures... L'équipe franco-japonaise du LIMMS a trouvé le moyen de le faire en un seul balayage de l'AFM, et en quelques minutes.


Le principe : pendant que la pointe de l'AFM balaye l'échantillon, trois paramètres physiques indépendants sont mesurés, qui donnent une information sur l'espèce chimique en surface. Pour visualiser ces résultats, les chercheurs utilisent ces trois signaux comme canaux RVB (Rouge Vert Bleu), et les trois couleurs primaires sont combinées pour former une image distinguant les différents atomes.


Pour effectuer ces mesures, il faut commencer par mettre en vibration la pointe du microscope, en excitant, à l'aide d'un laser, la minuscule « poutre » (cantilever) qui porte la pointe. Ensuite, quand celle-ci s'approche de l'échantillon, les forces locales agissent sur elle, et modifient sa fréquence de vibration. En mesurant cette fréquence, et en modulant la distance entre la pointe et l'échantillon, il est possible, par des calculs, d'obtenir alors trois paramètres physiques caractéristiques de l'espèce chimique locale : l'énergie de la liaison entre la pointe et l'échantillon, la longueur de l'interaction (la distance à partir de laquelle la pointe « sent » les forces locales), et la distance d'équilibre de l'interaction.


La démonstration, sur un échantillon de silicium amorphe, a montré que l'on pouvait distinguer différents états d'énergie d'atomes de silicium en surface. Mais la méthode est applicable à d'autres matériaux, par exemple pour étudier la contamination de catalyseurs solides, ou des procédés de fonctionnalisation de surfaces.

Image retirée.
© LIMMS
Schéma de principe du modulateur acousto-optique doublement résonant. 

 

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Références :

Color atomic force microscopy: A method to acquire three independent potential parameters to generate a color image
P. E. Allain, D. Damiron, Y. Miyazaki, K. Kaminishi, F. V. Pop, D. Kobayashi, N. Sasaki, and H. Kawakatsu
Applied Physics Letters, Volume 111, Issue 12  2017
doi: http://dx.doi.org/10.1063/1.4991790

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Hideki Kawakatsu
Chercheur
Communication INSIS