Laboratoire d'Analyses par Microscopie à Force Atomique (AFM)
Qu'est-ce que la Microscopie à Force Atomique (AFM) ?
Le Microscope à Force Atomique (AFM pour Atomic Force Microscope) est un microscope à sonde locale, haute résolution permettant de visualiser la topographie de surface d’un échantillon mais aussi la tribologie, le comportement mécanique, électrique ou chimique.
En effet, le principe même de l’étude microscopique est de s’appuyer sur la lumière. Cependant, une fois dans l’univers de l’infiniment petit (moins de quelques centaines de nanomètres), l’observation conditionnée à la lumière devient impossible puisque la limite de résolution est de l’ordre de 100µm. L’analyse par AFM permet de s’affranchir de ces limites puisque ce type de microscopie fonctionne en mesurant les interactions attractives ou répulsives entre la pointe de l’AFM et la surface de l’échantillon. La résolution de l’AFM est de 1Å soit 0.1 nm latéralement et verticalement.
Le laboratoire FILAB dispose d’équipement AFM de pointe pour l’analyse des surfaces et notamment la caractérisation des nanomatériaux.
Le laboratoire FILAB analyse les surfaces de vos échantillons par AFM
Le laboratoire FILAB spécialisé en analyse des surfaces met à votre disposition une technique de pointe : l’AFM (Atomic Force Microscopy).
Cette technique permet une analyse des surface de vos échantillons fine et précise , en révélant des détails invisibles à l’œil nu. Grâce à l’AFM, nous sommes en mesure de détecter et d’analyser des différences infimes de topographie de surface, ainsi que les propriétés physiques associées.
En fonction des paramètres physico-chimiques recherchés, plusieurs configurations d’AFM peuvent être utilisées :
Les différentes configurations
L' AFM : pour caractériser tous types de matériaux, effectuer une mesure de rugosité (contexte MDR), des propriétés d'élasticité, d'adhésion, de friction et d’énergie de surface…
Le SMM : ‘Scanning Microwave microscopy’ est un AFM couplé à la spectroscopie micro-onde. La pointe servant d'émetteur et récepteur local micro-onde (gigahertz), elle permet une analyse topographique et tomographique non destructive tout en gardant la propriété essentielle de l’AFM : la résolution nanométrique. Le SMM permet de caractériser tous types de matériaux mesurer des changements microstructuraux, identifier la présence de défauts enterrés, mesurer les contraintes mécaniques sub-surfaciques, déterminer des profils de diffusion d’éléments légers (oxygène, azote et même l’hydrogène !) tout en étant non destructif... C’est une révolution !
L'UA-AFM est un AFM couplée à la spectroscopie acoustique. Basé sur le même principe que l’échographie, il permet de réaliser de la tomographie à l’échelle nanométrique et micrométrique pour caractériser tous types de matériaux tout en étant comme le SMM non destructif. Sensible au variation de densité, il permet de reconstituer en 3d les premiers micromètres d’une surface pour identifier des inclusions, des défauts pouvant être source de corrosion ou de rupture...
L'AFM-IR : est un AFM couplé à la spectroscopie infra-rouge. Cette technique basé sur l’effet photothermique induit par une illumination laser permet d’obtenir une cartographie chimique de la surface avec une résolution nanométrique.
Exemple de prestations par AFM
Recherche de contraintes mécaniques pouvant être à l’origine d’une rupture
Recherche de défauts de conductivité ou de permittivité électrique (semi-conducteur)
Mesure d’épaisseur de dépôt non destructif en surface d’une pièce
Profil de diffusion d’éléments légers (oxygène, azote, hydrogène…) en mode non destructif (équivalent à la NRA)
Caractérisation de nanostructures par mesure AFM
Etude comparative de surface AFM vs MEB
Recherche de défauts enterrés (inclusions, défaut de cristallisation,)
Tomographie avec une résolution nanométrique
Mesure mécanique locale dans le cadre d’une non-conformité ou d’un contrôle de pièce
Vérification de l’homogénéité d’un dépôt ou d’une fonctionnalisation de surface
Caractérisation de propriétés de surfaces
Exemples de matrices à analyser par AFM
Le microscope AFM, un équipement de pointe
L’industrie est un domaine qui requiert une précision sans faille. C’est pourquoi la puissance d’un microscope AFM est nécessaire pour certaines applications industrielles. En effet, la visualisation des structures à l’échelle nanométrique peut être utilisée pour inspecter les matériaux, identifier les défauts de surface et même comprendre comment les molécules individuelles interagissent.
Les avantages de la technique AFM (Atomic Force Microscopy)
Les avantages d’un microscope AFM sont nombreux. Ce type de microscope permet une visualisation plus précise des surfaces à l’échelle nanométrique, offrant ainsi une meilleure analyse de la structure du matériau.
De plus, l’AFM permet également de mesurer les forces de surface telles que la force d’adhésion ou de répulsion, un paramètre souvent considéré dans la fabrication ou le développement de nouveaux matériaux.
Voyager dans l'infiniment petit... L'AFM au service de l'extrême surface
En savoir plusLes différents types de sondes utilisables sur l'AFM
L'une des techniques d'exploitation courantes de l'AFM qui permet d'obtenir des images haute résolution de la topographie de surface d'un échantillon. Avec ce mode, la point du cantilever est en contact constant avec l'échantillon.
Également connu sous le nom de mode de contact intermittent. Avec ce mode la pointe du cantilever n'entre pas en contact avec l'échantillon. La pointe est mise en oscillation proche de sa fréquence de résonance et balaye la surface de l'échantillon avec une amplitude constante. Les variations de force relevées permettent de créer une image topographique de la surface étudiée.
Ces deux modes d'applications sont des techniques avancées de l'AFM. Elles combinent les avantages de la spectroscopie de force et du tapping. La pointe du cantilever n'entre pas en contact avec l'échantillon, elle est mise en oscillation modulée à une fréquence inférieure à celle du mode tapping traditionnel. La force exercée sur l'échantillon est mesurée à chaque point de balayage permettant ainsi de cartographier les propriétés mécaniques de la surface à l'échelle nanométrique.
Le mode QNM étend cette analyse en permettant une cartographie quantitative des propriétés mécaniques observées.
Grâce à ce mode d'application de l'AFM il est possible de cartographier la conductivité électrique de la surface de matériaux à l'échelle nanométrique. Un petit courant électrique diffusé dans la pointe du cantilever balaye la surface de l'échantillon et à chaque point la conductivité électrique est mesurée.
Il permet de cartographier les variations de capacité électrique à l'échelle nanométrique à la surface d'un échantillon. Une pointe de sonde est placée à proximité de la surface d'un échantillon, formant ainsi un condensateur. La capacité électrique est mesurée en appliquant une tension alternative à la pointe et en mesurant le courant alternatif en résultant.
Cette technique permet de mesurer et cartographier les variations de résistance électrique à l'échelle nanométrique à la surface d'un échantillon. Une pointe de sonde conductrice est placée à la surface d'un échantillon. La résistance électrique est mesurée en en fonction de la tension appliquée lorsque la pointe balaye l'échantillon.
Il permet de réaliser l'étude de la fissuration ou de la déformation de la surface d'un revêtement.
FAQ
En analyse de surface, réaliser une analyse AFM est essentiel pour :
- Caractériser la topographie des surfaces : Identifier la rugosité, les irrégularités ou les structures spécifiques d’une surface avec une précision nanométrique.
- Étudier les interactions de surface : Mesurer des forces telles que l'adhésion, la friction ou les interactions mécaniques locales, essentielles dans de nombreux contextes scientifiques et techniques.
- Analyser la qualité des matériaux : Détecter des défauts ou des anomalies, optimiser des processus de fabrication, ou encore évaluer la performance et la durabilité des matériaux.
- Explorer des échantillons de manière non destructive : L'AFM est une méthode non invasive qui conserve l'intégrité des échantillons tout en offrant une analyse approfondie.
L'AFM est une solution technique pour comprendre les propriétés physiques, mécaniques ou topographiques d’une surface dans un objectif de recherche, de développement ou de contrôle qualité.
L’AFM est utilisé pour caractériser les surfaces à l’échelle nanométrique. Dans l’industrie, cette technique d’analyse sert à :
- Évaluer la rugosité des matériaux (ex. : électronique, revêtements, matériaux composites).
- Analyser les défauts de surface et identifier leur origine (ex. : microfissures dans les pièces mécaniques).
- Contrôler l’uniformité des revêtements ou couches minces (ex. : optique, énergie solaire).
- Tester la qualité des interfaces dans les assemblages multi-matériaux.
L'analyse AFM identifie les défaillances potentielles liées à des irrégularités de surface, à des particules indésirables ou à des modifications de structure nanométrique. Cela permet d’ajuster les processus de fabrication ou de traitement pour améliorer la fiabilité.
L’AFM peut analyser une large gamme de matrices, dont :
- Les métaux et alliages (analyse des oxydations ou traitements de surface).
- Les polymères (caractérisation des textures ou comportements mécaniques locaux).
- Les semi-conducteurs (vérification des gravures et couches de dopage).
- Les biomatériaux ou molécules biologiques (pour les secteurs pharmaceutique ou médical).
Oui, l’AFM est particulièrement efficace sur des surfaces non planes grâce à son mode de balayage par contact ou oscillation. Toutefois, pour des reliefs très marqués, des ajustements spécifiques des paramètres de balayage sont nécessaires.
L’AFM est souvent utilisé en complément de :
- La microscopie électronique à balayage (MEB) : pour une visualisation des structures 3D et une analyse chimique locale (EDX).
- La spectroscopie infrarouge ou Raman : pour identifier les liaisons chimiques en surface.
- La diffraction des rayons X (DRX) : pour étudier la cristallinité.
L’AFM est particulièrement recommandé pour les analyses de matériaux lorsque :
- Une résolution nanométrique est requise pour la caractérisation des surfaces.
- Les échantillons sont sensibles et ne supportent pas le vide (contrairement au MEB).
- Une analyse quantitative des forces de surface est nécessaire (ex. : adhésion, friction).
L’AFM peut détecter les défauts nanométriques, comme des fissures précoces ou des variations d’épaisseur, permettant d’identifier les causes de la défaillance (problème d’application, adhésion insuffisante, contamination).
Oui, l’AFM mesure les modifications topographiques et mécaniques dues à un traitement thermique, comme les variations de rugosité ou les altérations de structure locale.
