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Sciences : histoire orale
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microscope à force atomique (AFM)

Le microscope à force atomique (AFM pour Atomic force microscope) est le deuxième type de microscope en champ proche à avoir vu le jour. Il a été inventé en 1986 par Gerd Binnig, Christoph Gerber (tous deux également à l’origine de l’invention du microscope à effet tunnel) et Calvin F. Quate [1].

Il comprend cinq composants clés (figure 1) :

  1. 1) une fine pointe montée sur un levier de force flexible,
  2. 2) un système de détection de la déviation du levier,
  3. 3) un système de rétroaction pour diriger et suivre la déviation (et par là, la force d’interaction),
  4. 4) un système mécanique de balayage (habituellement des piézoélectriques) déplaçant la pointe par rapport à l’échantillon selon une trame,
  5. 5) un système d’affichage qui convertit les données en image. Les deux derniers composants sont fort similaires à ceux du microscope à effet tunnel.

Figure 1. Diagramme de fonctionnement de l’AFM.

Si l’on en croit les propos que Hansma et Rugar ont prêtés à Binnig [2], ce dernier, alors en séjour sabbatique à Stanford, aurait trouvé l’inspiration pour la réalisation de l’AFM allongé sur le sol de sa résidence californienne en fixant son plafond : les motifs du plafond lui auraient fait penser à une image topographique du type de celles du STM. « Ne pourrait-on pas imager une surface en se passant du courant électrique ? », se serait-il alors demandé. « Pourquoi ne pas utiliser une force de contact ? ». Pour que cela soit possible, il fallait faire en sorte que la sonde de l’appareil soit sensible à des forces plus faibles que les forces liant les atomes et que l’action infime de ces forces soit mesurable.

Quelle que soit la vérité de cette anecdote, qui sert à illustrer l’esprit « cool » que les microscopistes en champ proche se plaisent à associer à cette technique, l’invention de l’AFM répondait à la volonté de se libérer de la contrainte qui liait la microscopie tunnel aux échantillons électrisables (donc forcément métalliques ou semi-conducteurs), aux problématiques de la science des surfaces et à la rigueur des conditions expérimentales dans lesquelles elle travaille (ultravide, basses températures). Pour Quate et Binnig, il s’agissait moins d’inventer un nouvel instrument distinct du STM que d’ouvrir ce dernier à une plus large gamme d’usages.

Ce fut Gerber (bricoleur hors pair à qui l’on doit certains éléments cruciaux du design des premières générations du STM) qui construisit en quelques jours le premier prototype de microscope à force atomique. Il s’agissait d’un simple appendice du STM en air libre : les vibrations d’une feuille d’or électrisée d’un millimètre de long, à l’extrémité de laquelle était soudé un petit diamant (comme sur le bras d’un tourne-disque), étaient détectées par la pointe d’un STM. Or, dans les conditions où l’on voulait opérer (par exemple, à l’air libre), la résolution de la détection tunnel déclinait rapidement car la surface de la feuille métallique était rapidement oxydée ou contaminée par d’autres impuretés. On a donc remplacé la détection au STM par deux modes différents de détection : une détection par interférométrie (mesure des interactions entre des ondes) et une détection par mesure de la déviation d’un faisceau LASER. Ainsi l’AFM a-t-il été rendu indépendant du STM.

À l’instar du STM, l’AFM est sensible au bruit extérieur, susceptible de causer des mouvements indésirables du levier par rapport à l’échantillon ou de perturber la précision du dispositif de détection. Cependant, dans le cas de l’AFM, le dispositif est vibratile par principe (le levier est modélisé comme un ressort avec une constante de torsion déterminée, inférieure à celle qui existe entre deux atomes). Il faut donc distinguer les vibrations à traiter comme signal pertinent de celles qu’il faut considérer comme du bruit. Le signal pertinent est alors déduit des plus basses fréquences de vibration du dispositif mécanique (incluant le levier et tout le reste de l’appareil), ce qui n’est possible que si les leviers sont faits de matériaux capables de résonner à haute fréquence et à faible amplitude (par exemple, des leviers en oxyde et en nitrure de silicium, extrêmement durs). Le choix adéquat des matériaux, des techniques de microfabrication et de lithographie est issu principalement des recherches des groupes de Quate et Hansma. Avec l’AFM, la géométrie de la pointe devient beaucoup plus déterminante qu’avec le STM, où une bonne part d’artisanat peut être tolérée pour sa fabrication.

L’interaction par contact avec les forces interatomiques est le mode d’utilisation initial de l’AFM – le mode « contact ». L’AFM est aussi utilisé pour interagir avec les forces de plus longue portée (entre 10 et 100 nm) : forces électrostatiques, magnétiques et forces de van der Waals attractives. Il s’agit du mode « non contact ». Celui-ci tire parti de la propension du levier à être sujet à des vibrations rapides : au lieu de mesurer les déviations que la surface impulse au levier, le levier est actif et porté à vibrer aux alentours de sa fréquence de résonance grâce à des piézoélectriques. Les gradients de force modifient la fréquence de vibration du levier ; ce sont ces modifications qui sont enregistrées par le détecteur. À cause d’un rapport signal/bruit plus faible, le mode « non contact » est souvent utilisé à plus basse température et parfois en ultravide. Enfin, un autre mode d’utilisation verra le jour, le mode « contact intermittent » ou « tapping ».

L’AFM rend possible l’imagerie d’échantillons isolants en champ proche. Avec lui, la microscopie en champ proche se déprend des contraintes et des problématiques de la seule science des surfaces. Il a permis aux groupes de Quate et Hansma d’imager, très tôt, des biomolécules, des membranes et des polymères biologiques. Pour Hansma, l’AFM se destine avant tout à la biologie.

Cependant, le spectre des usages de la microscopie de force est très large : il inclut l’analyse des domaines magnétiques (MFM pour Magnetic Force Microscopy), des interactions électriques « subtiles », telles des décharges électriques locales ou les électrifications de contact (déclenchées par simple toucher de la pointe sur la surface, sans application d’une tension), les propriétés de friction (tribologie), d’élasticité, d’humidification. La microscopie de force se présente à certains égards comme une instrumentation « à tout imager », et cela sans préparation fastidieuse des échantillons ; nul besoin, par exemple de déshydrater un échantillon biologique, ou de retirer la couche superficielle d’un dispositif de stockage magnétique pour en faire une image par MFM. Le caractère non destructif de la microscopie de force s’avère aussi intéressant pour les échantillons microtechnologiques que pour les échantillons biologiques.

Par Sacha Loeve, avril 2011.

Notes

[1G. Binnig, C. F. Quate et C. Gerber, 1986, « The Atomic Force Microscope », Physical Review Letters, vol. 56, no 9, p. 930-933.

[2P. K. Hansma, D. Rugar, 1990, « Atomic Force Microscopy », Physics Today, p. 23-30.

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