Des chercheurs de l'Université du Texas à Dallas ont créé un microscope à force atomique sur une puce, réduire considérablement la taille et, avec un peu de chance, le prix d'un appareil de haute technologie couramment utilisé pour caractériser les propriétés des matériaux.

"Un microscope à force atomique standard est un grand instrument encombrant, avec plusieurs boucles de contrôle, électronique et amplificateurs, " a déclaré le Dr Reza Moheimani, professeur de génie mécanique à l'UT Dallas. "Nous avons réussi à miniaturiser tous les composants électromécaniques sur une seule petite puce."

Moheimani et ses collègues décrivent leur prototype d'appareil dans le numéro de ce mois-ci du Journal IEEE des systèmes microélectromécaniques .

Un microscope à force atomique (AFM) est un outil scientifique utilisé pour créer des images tridimensionnelles détaillées des surfaces des matériaux, jusqu'à l'échelle nanométrique, c'est à peu près à l'échelle des molécules individuelles.

La conception de base de l'AFM se compose d'un petit porte-à-faux, ou bras, qui a un bout pointu attaché à une extrémité. Lorsque l'appareil balaye d'avant en arrière sur la surface d'un échantillon, ou l'échantillon se déplace en dessous, les forces interactives entre l'échantillon et la pointe font monter et descendre le porte-à-faux tandis que la pointe suit les contours de la surface. Ces mouvements sont ensuite traduits en image.

« Un AFM est un microscope qui « voit » une sorte de surface de la manière dont une personne malvoyante pourrait le faire, en touchant. Vous pouvez obtenir une résolution bien au-delà de ce qu'un microscope optique peut atteindre, " dit Moheimani, qui détient la chaire distinguée James Von Ehr en science et technologie à la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science. "Il peut capturer des caractéristiques qui sont très, très petit."

L'équipe de l'UT Dallas a créé son prototype d'AFM sur puce en utilisant une approche de systèmes microélectromécaniques (MEMS).

"Un exemple classique de la technologie MEMS sont les accéléromètres et les gyroscopes trouvés dans les smartphones, " a déclaré le Dr Anthony Fowler, chercheur au Laboratoire de dynamique et de contrôle des nanosystèmes de Moheimani et l'un des co-auteurs de l'article. "Ceux-ci étaient grands, cher, dispositifs mécaniques, mais en utilisant la technologie MEMS, les accéléromètres se sont réduits à une seule puce, qui peut être fabriqué pour quelques dollars pièce."

L'AFM basé sur MEMS mesure environ 1 centimètre carré, ou un peu plus petit qu'un centime. Il est attaché à une petite carte de circuit imprimé, environ la moitié de la taille d'une carte de crédit, qui contient des circuits, capteurs et autres composants miniaturisés qui contrôlent le mouvement et d'autres aspects de l'appareil.

Les AFM conventionnels fonctionnent dans divers modes. Certains tracent les caractéristiques d'un échantillon en maintenant une force constante lorsque la pointe de la sonde traîne sur la surface, tandis que d'autres le font en maintenant une distance constante entre les deux. "Le problème avec l'utilisation d'une approche à hauteur constante est que la pointe applique des forces variables sur un échantillon tout le temps, qui peut endommager un échantillon très mou, " dit Fowler. " Ou, si vous numérisez une surface très dure, tu pourrais user la pointe, "

L'AFM basé sur MEMS fonctionne en "mode tapotement, " ce qui signifie que le cantilever et la pointe oscillent de haut en bas perpendiculairement à l'échantillon, et la pointe entre en contact alternativement puis se décolle de la surface. Lorsque la sonde se déplace d'avant en arrière sur un échantillon, une boucle de rétroaction maintient la hauteur de cette oscillation, créant finalement une image.

"En mode tapotement, lorsque le porte-à-faux oscillant se déplace à travers la topographie de surface, l'amplitude de l'oscillation veut changer au fur et à mesure qu'elle interagit avec l'échantillon, " a déclaré le Dr Mohammad Maroufi, chercheur associé en génie mécanique et co-auteur de l'article. "Cet appareil crée une image en maintenant l'amplitude d'oscillation."

Étant donné que les AFM conventionnels nécessitent des lasers et d'autres composants de grande taille pour fonctionner, leur utilisation peut être limitée. Ils sont aussi chers.

« Une version éducative peut coûter environ 30 $, 000 ou 40 $, 000, et un AFM de niveau laboratoire peut coûter 500 $, 000 ou plus, " a déclaré Moheimani. " Notre approche MEMS de la conception de l'AFM a le potentiel de réduire considérablement la complexité et le coût de l'instrument.

"L'un des aspects attrayants des MEMS est que vous pouvez les produire en masse, en construisant des centaines ou des milliers d'un seul coup, le prix de chaque puce ne serait donc que de quelques dollars. Par conséquent, vous pourrez peut-être offrir l'ensemble du système AFM miniature pour quelques milliers de dollars."

Une taille et un prix réduits pourraient également étendre l'utilité des AFM au-delà des applications scientifiques actuelles.

"Par exemple, l'industrie des semi-conducteurs pourrait bénéficier de ces petits appareils, en particulier les entreprises qui fabriquent les plaquettes de silicium à partir desquelles sont fabriquées les puces informatiques, " Moheimani a déclaré. "Avec notre technologie, vous pourriez avoir un ensemble d'AFM pour caractériser la surface de la plaquette afin de trouver des micro-défauts avant que le produit ne soit expédié. » Le prototype de laboratoire est un appareil de première génération, Moheimani a dit, et le groupe travaille déjà sur des moyens d'améliorer et de rationaliser la fabrication de l'appareil.

"C'est l'une de ces technologies où, comme ils disent, 'Si vous le construisez, ils viendront.' Nous prévoyons de trouver de nombreuses applications à mesure que la technologie mûrit, " a déclaré Moheimani.