CHAPITRE 5 - MÉTHODES D’ANALYSE DE L’INGÉNIEUR DES SURFACES
183
2.3.
Microscopies en champ proche
Dans les microscopies en champ proche, on sonde essentiellement la réponse de
la rugosité de la surface à un champ de force a u moyen d’une pointe qui balaye
la surface(5). L’amplitude latérale du balayage peut aller de quelques nanomètres
à plusieurs centaines de micromètres. Les microscopies en champ proche permettent des résolutions spatiales latérales très élevées, meilleures que le nanomètre. La résolution en hauteur qui peut atteindre le centième de nanomètre est
encore meilleure. Par ailleurs, les microscopies en champ proche sont non destructives. Elles peuvent sonder tous les matériaux et peuvent être appliquées
dans divers environnements (atmosphères contrôlées ou non, liquides, vide). I1
existe plusieurs sortes de microscopies en champ proche qui diffèrent selon la
nature d u champ qui est mesuré.
STM : microscopie a effet tunnel (scanning tunneling microscopy). On teste
u n champ électrique entre la pointe et l’échantillon qui doit être conducteur :
AFM : microscopie a force atomique (atomic force microscopy). On sonde
u n champ de forces transmis à levier avec u n montage dit en cantilever. Elle
s’applique à tous les matériaux :
MFM : microscopie a force magnétique (magnetic force microscopy). On
observe des variations de champ magnétique ;
SNOM : microscopie a champ proche optique (scanning nearfield optical
microscopy). On observe le champ d’ondes évanescentes entre une fibre
optique et un échantillon transparent.
Pour des raisons essentiellement pratiques nous traiterons assez brièvement
le STM qui, historiquement, a été la première méthode de champ proche et plus
en détail I’AFM qui est certainement une méthode qui se développera beaucoup
prochainement pour l’étude de la morphologie des surfaces à l’échelle submicronique. Les autres microscopies seront laissées de côté car elles n’apportent pas
de résultats marquants dans le domaine de l’ingénierie des surfaces.
2.3.1. Microscopie a effet tunnel - STM
Si on approche une pointe métallique très fine suffisamment près d’une surface
conductrice (c’est-à-dire à une distance de l’ordre du nanomètre) et qu’on
applique une différence de potentiel comprise entre 1 mV et quelques volts, des
électrons peuvent passer par effet tunnel entre un atome de la pointe et un
atome de la surface sous investigation suivant les principes décrits dans le chapitre précédent.
Le courant créé, typiquement compris entre O, 1 nA et 10 nA, varie en fonction
de la distance selon une loi exponentielle. Par exemple, une variation de distance
(5) Wiesendanger R., Scanning probe microscopy and spectroscopy. Methods and applications (Springer, Berlin, 1994).
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2.3.
Microscopies en champ proche
Dans les microscopies en champ proche, on sonde essentiellement la réponse de
la rugosité de la surface à un champ de force a u moyen d’une pointe qui balaye
la surface(5). L’amplitude latérale du balayage peut aller de quelques nanomètres
à plusieurs centaines de micromètres. Les microscopies en champ proche permettent des résolutions spatiales latérales très élevées, meilleures que le nanomètre. La résolution en hauteur qui peut atteindre le centième de nanomètre est
encore meilleure. Par ailleurs, les microscopies en champ proche sont non destructives. Elles peuvent sonder tous les matériaux et peuvent être appliquées
dans divers environnements (atmosphères contrôlées ou non, liquides, vide). I1
existe plusieurs sortes de microscopies en champ proche qui diffèrent selon la
nature d u champ qui est mesuré.
STM : microscopie a effet tunnel (scanning tunneling microscopy). On teste
u n champ électrique entre la pointe et l’échantillon qui doit être conducteur :
AFM : microscopie a force atomique (atomic force microscopy). On sonde
u n champ de forces transmis à levier avec u n montage dit en cantilever. Elle
s’applique à tous les matériaux :
MFM : microscopie a force magnétique (magnetic force microscopy). On
observe des variations de champ magnétique ;
SNOM : microscopie a champ proche optique (scanning nearfield optical
microscopy). On observe le champ d’ondes évanescentes entre une fibre
optique et un échantillon transparent.
Pour des raisons essentiellement pratiques nous traiterons assez brièvement
le STM qui, historiquement, a été la première méthode de champ proche et plus
en détail I’AFM qui est certainement une méthode qui se développera beaucoup
prochainement pour l’étude de la morphologie des surfaces à l’échelle submicronique. Les autres microscopies seront laissées de côté car elles n’apportent pas
de résultats marquants dans le domaine de l’ingénierie des surfaces.
2.3.1. Microscopie a effet tunnel - STM
Si on approche une pointe métallique très fine suffisamment près d’une surface
conductrice (c’est-à-dire à une distance de l’ordre du nanomètre) et qu’on
applique une différence de potentiel comprise entre 1 mV et quelques volts, des
électrons peuvent passer par effet tunnel entre un atome de la pointe et un
atome de la surface sous investigation suivant les principes décrits dans le chapitre précédent.
Le courant créé, typiquement compris entre O, 1 nA et 10 nA, varie en fonction
de la distance selon une loi exponentielle. Par exemple, une variation de distance
(5) Wiesendanger R., Scanning probe microscopy and spectroscopy. Methods and applications (Springer, Berlin, 1994).