Caractérisations de nanomatériaux par AFM ● Beaucoup de méthodes Simple imagerie ! Mesure / utilisation des interactions mécaniques • Echelles nanométriques : adhésion, frottement, physicochimie • Mesures mécaniques • Echelle moléculaire • …Exemples ● Environnement : air – solvant – température ● Simplicité du dispositif… Qualitatif / comparatif / semi-quanti Quantitatif...
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Caractérisations de nanomatériaux par AFM Beaucoup de méthodes Simple imagerie ! Mesure / utilisation des interactions mécaniques Echelles nanométriques.
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Modulation de la hauteur échantillon (dents de scie) mesure de la déflection
Surface rigide
• humidité• pH, force ionique• physico-chimie de la pointe• …
Surface déformable
• fréquence• raideur du cantilever• forme du bout de pointe• profondeur indentée …
Les courbes de force
Zéch.
Indentation
Force
The AFM modes… (local measurements)
F
z
Tapping modeTopographyMechanical pp.
Resonant(Topography)Magnetic pp.Electrostatic pp.
ContactTopographyMechanical pp.Friction
Tip-surface interactions
A
DC
B
Friction measurement
Force curve
Zéch.
Adherence
Elasticity
Simultaneously…
Si(SiO2), Si3N4… (Pt, diamant, nanotube…) L = 100 – 200 µm k = .01 – 100 N/m R
0 = 10 – 300 kHz
R = 3 – 50 nm
Le microscope à force atomique :
cantilevers et pointes
Resolution (x,y)…
Information lost
Non-linear transform« convolution » !
Not a single number !z direction: < 0.1 nm
Mechanical effects
a few a
PHertz ->
Adhesion !!! (JKR,DMT, capillarity)
3/1
E
PRa
Sample (and tip) deformation ; Contact size ?
Static / sliding / intermittent contact !!!
E 1MPaP = 0 !h 100 nm
Resolution (x,y)…
M. A. Lantz et al. PRL (2000)
Silica sphere, =100 nm
Single sphere, pyramidal tip !
silicon (111) 7 x 7 UHV, dynamic mode
Mica, contact mode !stick-slip (?)
Imagerie : les frottements
Film de latex
Hauteur Frottement
Principalement qualitatif
Interaction mécanique pointe - surface
La physico-chimie … par l’imagerie
topographie frottement
Variations d’indice par P2O5
Pointe Si3N4 sur SiO2 plus ou moins dopé
Destouches et al.Langmuir 2003, 19, 6570-6572
Anisotropie du frottement
hauteur frottement
R.W. Carpick et al.Trib. Lett. 7 (1999) 79
Monocouche de polydiacéthylènesur mica(Langmuir)
Hauteur Phase
10µm x 10µm. film d'un mélange polyacrylamide / polyvinyl alcoolMacromol. 2007, 40, 8336-8341
Imagerie : tapping mode contrastes mécaniques
Imagerie : tapping mode (contact intermittent)
• Excitation à la fréquence de résonance du cantilever• Asservissement de la hauteur de l’échantillon pour avoir une amplitude constante• Mesure : topographie et déphasage
Le déphasage est une mesure de la dissipation de l’interaction pointe / surface
Elastomères acrylates chargés de billes de silice monodisperses = 50 nm
Hauteur79% 20°
Phase
98% 4°
Rev. Sci. Inst. 75 2529 (2004)
Copolymers:Magnetic nanodot arrays patterned using
block copolymer templates
CoCrPt ou Ti et PS-b-PMMA
Choi et al. Nanotechnology 15 (2004) 970–974
Des courbes de force points par points:
le pulsed force mode ex. : adhésif d’un film protecteur de carrosserie
Doc. Witec
Topography
Force
Temps
Le microscope à force chimique (CFM)
Pointe recouverte de silanes ou de thiols : fonctionalisation -CH3, -NH2, -OH, -COOH, -CF3…
Caractérisation de la physicochimie de surface par une mesure d’adhérence point par point (ou de frottement)
Frisbie et al., Science 265 (1994) 2071
…discrimination d’énantiomères !
S-S R-S
S-R R-R
RacRac
RacRac
Acide mandeliqueR. McKendry et al., Nature 1998, 391, 566.
Echelle moléculaire : conformations des molécules
Dépliements de domaines dans une protéine géante (la titine)J. Clarke, S. Fowler et A. Steward Cambridge University, UK. poly(ethylene-glycol) dans l’eau
F Oesterhelt, M Rief et H E GaubNew Journal of Physics 1 (1999) 6.1–6.11
AFM : impose des déplacements, mesure des force, oui mais …• la taille du contact est en général inconnue• la forme du bout de pointe est mal connue• raideur du cantilever• géométrie !
!Mécanique du contact (adhésif)Ordres de grandeur : Equilibre : E=1GPa a=qq nm, bout de pointe ?