La microscopie à force atomique (AFM) a apporté la résolution d'imagerie à l'échelle atomique de la microscopie à effet tunnel, une technique qui a remporté le prix Nobel de physique, aux surfaces non conductrices. Cependant, des limitations subsistent lorsque l'on essaie d'utiliser la technique dans sa plus grande sensibilité avec des échantillons photosensibles dans des liquides. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Kanazawa montrent comment surmonter ces contraintes, en entraînant un cantilever de quelques micromètres à des fréquences mégahertz avec stabilité et contrôle dans le liquide et sans exposer potentiellement l'échantillon à la lumière.

Les microscopes à force atomique surveillent les forces en jeu entre une surface et une pointe fixée à un porte-à-faux pour extraire des informations sur la topographie et la composition de la surface. En faisant osciller le porte-à-faux sur la surface au lieu de le faire glisser, la force des interactions avec le porte-à-faux et la pointe peut être déduite des changements d'amplitude d'oscillation ou de fréquence de résonance sans endommager la surface.

Habituellement, un actionneur piézo génère une onde acoustique qui entraîne le cantilever à osciller à sa fréquence de résonance. Cependant, cette approche est sujette à des contributions parasites à la résonance des composants du dispositif reliant l'actionneur au porte-à-faux. L'impact de ces effets est plus important pour les cantilevers les plus sensibles, qui sont petits et ont des fréquences de résonance élevées en mégahertz. Les alternatives sont photothermiques, excitation électrostatique ou électrostrictive en porte-à-faux, mais si le matériau à l'étude est photosensible ou conservé dans un liquide électrochimiquement actif, ceux-ci aussi ont des inconvénients. Au lieu de cela, Takeshi Fukuma et ses collègues de l'Université de Kanazawa ont suivi une approche d'excitation magnétique.

Les chercheurs ont étudié comment mettre en œuvre leur approche avec trois marques de cantilever, qu'ils ont personnalisées en ajoutant une perle magnétique décorée d'une pointe nanométrique de carbone. Ils ont ensuite appliqué un champ magnétique alternatif en alimentant un courant alternatif dans un minuscule solénoïde constitué d'un fil de 0,2 mm de diamètre enroulé autour d'un cylindre de 3 mm de diamètre.

Bien que d'autres groupes aient déjà démontré un AFM dynamique entraîné par une excitation magnétique, l'approche se heurte à nouveau à des problèmes pour les petits cantilevers. La boucle de rétroaction pour gérer la latence du circuit et compenser l'impédance dépendante de la fréquence de sorte que l'appareil couvre une large bande passante de fréquence ne fonctionne pas aussi bien aux hautes fréquences. Au lieu de cela, les chercheurs ont conçu un circuit différentiel en boucle ouverte qui alimente une tension de bobine complexe proportionnelle à la fréquence et à la tension d'entrée.

Pour démontrer l'applicabilité de leur approche, ils ont mesuré les courbes de résonance en porte-à-faux et la topographie à l'échelle atomique d'une surface de mica dans une solution saline tamponnée au phosphate avec divers porte-à-faux personnalisés, y compris ceux avec une fréquence de résonance de l'ordre du mégahertz.

Microscopie à force atomique

La première image utilisant l'AFM a été rapportée par Gerd Binnig, Calvin Quate et Christoph Gerber en 1986, cinq ans après le microscope à effet tunnel. La technique est capable d'une résolution à l'échelle atomique et génère des images en mesurant la somme de la force d'un certain nombre de forces en jeu entre la pointe et l'échantillon, y compris van der Waals et électrostatique.

L'AFM utilise un porte-à-faux avec une petite pointe attachée à l'extrémité. Pour l'AFM statique, la pointe est traînée sur la surface et la déviation du porte-à-faux est mesurée ou, la hauteur du porte-à-faux est ajustée pour maintenir une déviation constante. En AFM dynamique, où le cantilever oscille à sa fréquence de résonance et frappe la surface avec la pointe, le contact entre la pointe et la surface cause moins de dommages à l'échantillon. Il est capable d'imagerie haute sensibilité sans aucun contact avec la surface en mode sans contact, en surveillant l'impact des interactions avec la surface sur l'amplitude et la fréquence des oscillations du porte-à-faux.

Outre l'excitation piézoélectrique et photothermique en porte-à-faux, des interactions électrostatiques et électrostrictives peuvent être utilisées en appliquant une tension de polarisation entre la pointe et la surface ou les deux côtés d'un porte-à-faux. Cependant, dans de nombreux liquides utilisés pour contenir les échantillons, cela peut provoquer des réactions chimiques incontrôlées.

Boucle fermée versus boucle ouverte avec circuits de différenciation

Lors de l'utilisation de champs magnétiques pour exciter des oscillations dans le cantilever, le circuit fournissant du courant à la bobine solénoïde doit maintenir une amplitude de courant constante. Cependant, l'impédance du circuit augmente avec la fréquence, de sorte qu'un signal de tension plus élevé est nécessaire pour maintenir une amplitude de courant constante. Ceci est généralement réalisé avec une boucle de rétroaction, qui convertit le courant de la bobine en une tension et le compare à la tension d'entrée. Cependant, cette boucle de rétroaction devient instable aux fréquences mégahertz.

Dans le circuit en boucle ouverte utilisé à la place, la tension d'entrée est introduite dans un circuit de différenciation qui renvoie une tension de bobine complexe qui est proportionnelle à la tension d'entrée et à la fréquence ( V bobine =je V dans , où V bobine est la tension de la bobine, V dans est la tension d'entrée et ?? est la fréquence.) De cette façon, la tension de la bobine s'adapte automatiquement à la fréquence, compenser les changements d'impédance dépendant de la fréquence.