Le résultat d'une analyse de surface tridimensionnelle combinée ToF-SIMS-/SFM d'un mélange de polymères PCBM/CyI utilisé par le Laboratoire des polymères fonctionnels de l'Empa pour produire des cellules solaires organiques.
Le NanoChemiscope 3D est un miracle de la technologie d'analyse de pointe. En tant que développement ultérieur de méthodes microscopiques et spectroscopiques de masse bien connues, il cartographie les surfaces physiques et chimiques des matériaux jusqu'au niveau atomique. Cet instrument, qui est unique au monde, fournit non seulement des images haute définition; il sait aussi ce qu'il "voit".
Qu'ont en commun un pingouin et la surface d'une cellule solaire ? Pas grand-chose, concède Laetitia Bernard, physicienne de l'Empa. Pourtant elle a dû sourire quand, lors du traitement d'une image d'un mélange de polymères requis pour produire un nouveau type de cellule solaire organique, à un moment donné, elle distinguait de plus en plus clairement la silhouette d'un pingouin. Un petit détail dans le monde complexe de la microscopie haute performance.
Le NanoChimiscope 3D, développé à l'Empa, non seulement cartographie des échantillons avec une précision nanométrique, mais pour la première fois peut également fournir des informations précises sur les éléments chimiques sont disposés où dans un échantillon. Cela permet à la fois des propriétés mécaniques, comme la dureté, élasticité ou frottement, et les propriétés chimiques des surfaces à déterminer simultanément en trois dimensions. Dans le cas de l'image "pingouin", cela signifie que le NanoChemiscope 3D ne capture pas seulement le contour du "pingouin", mais détecte aussi quels polymères se trouvent à son "bec", à son « œil » et « autour ». En utilisant cette technique d'analyse, les chercheurs en cellules solaires sont capables de contrôler efficacement les mécanismes de leurs matériaux et d'adapter la composition ou la concentration de leur mélange de polymères en conséquence. Cela permet de créer de nouvelles structures et donc de créer de meilleures performances de la cellule solaire.
Certaines des nombreuses images individuelles à partir desquelles le NanoChemiscope 3D a généré la vue 3D. Le SFM scanne la topographie de la surface (L'image de gauche montre une section de 12 µm x 12 µm. Les différences de hauteur visibles sur l'image mesurent 100-200 nm). Avec le TOF-SIMS, il est possible d'identifier où les différents matériaux ou polymères dans le mélange de polymères sont situés sur la surface (les images au milieu et à droite montrent les ions C-+C2- et CN-+I-).
Microscope à force de balayage et spectromètre de masse haut de gamme
Cette analyse est rendue possible par le NanoChemiscope 3D, qui combine deux techniques auparavant indépendantes. Le microscope à force de balayage (SFM) balaye la surface avec une pointe ultra-fine, tandis que le spectromètre de masse à ions secondaires à temps de vol (ToF-SIMS) détermine la composition matérielle de la première monocouche de surface en "tirant" des ions métalliques dessus.
Jusqu'à maintenant, afin d'étudier à la fois les propriétés chimiques et physiques des surfaces, il était nécessaire d'analyser l'échantillon dans deux instruments différents. Cependant, lors du transport de l'échantillon d'un instrument à l'autre, il y avait toujours un risque de contamination ou d'oxydation. En outre, il était pratiquement impossible de retrouver l'emplacement exact scanné par le SFM. Quoi, donc, pourrait être plus approprié que de « combiner » les deux instruments ? Dans un projet de quatre ans parrainé par l'UE, chef de projet Laetitia Bernard, en collaboration avec des chercheurs de l'Empa et des partenaires universitaires et industriels, a mené un travail minutieux pour développer un nouvel instrument dans lequel un SFM et un ToF-SIMS sont placés dans une chambre à ultra-vide aussi près que possible l'un de l'autre.
Les experts en microscopes ont également équipé le NanoChemiscope 3D d'un nouveau système de transport développé en interne, qui utilise des piézomoteurs pour déplacer doucement l'échantillon d'avant en arrière sur des pistes recouvertes d'une couche de carbone de type diamant (DLC). Le porte-échantillon peut se déplacer selon cinq axes, permettant d'analyser l'emplacement à l'étude sous n'importe quel angle.
Suite à sa construction, le prototype – un monstre en aluminium brillant de 1 mètre de long, 70 centimètres de large et 1,7 mètre de haut - a été en service chez le partenaire du projet ION-TOF GmbH à Münster, Allemagne, où il est utilisé par des clients industriels et des partenaires de recherche. La construction de plus d'instruments est prévue, clients ayant manifesté un vif intérêt et étant prêts à payer des sommes supérieures à un million de francs suisses.
