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Facteurs affectant les images de microscopie à force atomique

La microscopie à force atomique (AFM) est l’une des techniques microscopiques les plus polyvalentes et les plus puissantes utilisées pour étudier les matériaux à l’échelle nanométrique.

Crédit d’image : Elizaveta Galitckaia / Shutterstock.com

Deux des principaux avantages de l’AFM sont la capacité de sécuriser des images tridimensionnelles (3D) et de mesurer différents types de surfaces. Génère des images à une résolution à l’échelle atomique avec une préparation d’échantillon minimale. Cet article aborde les différents aspects de l’AFM, en particulier les facteurs qui affectent la résolution des images AFM.

AFM et nanotechnologie

L’AFM est couramment utilisé pour décrire les nanoparticules, ce qui inclut des données précieuses concernant leurs propriétés qualitatives et quantitatives. Par exemple, il fournit des informations sur les propriétés physiques (par exemple, la morphologie, la texture de surface, la rugosité, etc.) ainsi que la taille, la distribution de taille et la surface des nanomatériaux.

Les scientifiques ont rapporté que plusieurs nanomatériaux de tailles différentes, c’est-à-dire allant de 1 nanomètre à 8 micromètres, peuvent être distingués lors d’un même examen. Surtout, l’AFM peut caractériser les nanomatériaux dans de multiples milieux, tels que l’environnement contrôlé, l’air ambiant ainsi que la dispersion liquide. Cette technique est utilisée pour étudier les nanocomposites en fonction de leur distribution spatiale avec une topographie inutile.

Le traitement d’image basé sur logiciel des données AFM fournit des données quantitatives sur les nanoparticules individuelles. Les chercheurs mettent en évidence certains des avantages de l’utilisation de l’AFM pour caractériser les nanoparticules par rapport à d’autres microscopes (par exemple, microscope électronique à balayage-SEM et microscopie électronique à transmission-TEM). Ils rapportent que l’AFM fournit une résolution plus élevée avec des images 3D, ce qui aide à mesurer la hauteur des nanoparticules.

En revanche, les images SEM/TEM fournissent des images 2D et ont donc des capacités de quantification limitées. De plus, par rapport aux processus SEM/TEM, l’AFM est facile à utiliser, rentable et nécessite relativement moins d’espace de laboratoire pour la nanoimagerie.

Facteurs affectant l’imagerie AFM

Un AFM est généralement équipé d’un porte-à-faux constitué d’une sonde pointue qui balaie la surface d’un échantillon. Le porte-à-faux est en silicium ou en nitrure de silicium, la courbure de son rayon de pointe est mesurée à l’échelle nanométrique. À une extrémité du porte-à-faux, une poutre est connectée à un actionneur de déplacement piézoélectrique, qui est contrôlé par AFM. L’autre extrémité contient la pointe de la sonde qui interagit avec l’échantillon.

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Lorsque la sonde est proche de la surface, elle subit une force attractive ou répulsive due aux interactions de surface. En raison de la force, le porte-à-faux dévie, ce qui est mesuré avec un faisceau laser à travers une photodiode sensible à la position (PSPD).

L’AFM décrit la topographie de l’échantillon en balayant le porte-à-faux sur l’échantillon. Une boucle de rétroaction est utilisée pour contrôler la hauteur de la sonde au-dessus de la surface de l’échantillon, et ainsi, la position du laser est constamment maintenue, ce qui aide à créer une image AFM précise. En bref, lorsque la pointe de la sonde interagit avec l’échantillon, l’échantillon se déforme jusqu’à ce qu’une augmentation de la surface de contact se produise. La quantification précise de cette distorsion détermine la précision et la fiabilité des images AFM.

L’AFM fonctionne selon différents modes en fonction de la nature de l’interaction de la surface de la sonde. Certains modes incluent le mode intermittent, le mode en ligne et le mode hors ligne. Comme son nom l’indique, en mode contact, la pointe de la sonde touche littéralement la surface. Dans ce mode, l’interaction entre la pointe et la surface est dégoûtante. Le mode hors ligne est l’extrême opposé. Cependant, dans le mode de contact discontinu, le porte-à-faux oscille verticalement près de la surface de l’échantillon.

Le choix du mode de prise de vue est le principal déterminant de la résolution de l’image. Les chercheurs rapportent que l’utilisation de solutions tampons aqueuses est idéale pour l’imagerie des échantillons car elle aide à maintenir les échantillons biologiques dans leur état d’origine.

L’environnement vibratoire de l’instrument AFM affecte la précision de l’imagerie verticale, puisque le porte-à-faux est positionné verticalement par rapport à l’échantillon. Cependant, la résolution de l’image AFM, associée à la position horizontale en porte-à-faux de l’échantillon, est affectée par le diamètre de la pointe utilisée pour le balayage. En général, l’instrument AFM a une résolution verticale inférieure à 0,1 nm et une résolution XY d’environ 1 nm.

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Générer des images AFM précises

Pour obtenir des images AFM précises, le déplacement axial de la phase piézoélectrique doit être correctement calibré à l’aide de différents paramètres. Par exemple, la hauteur de l’échantillon peut être mesurée avec précision par étalonnage AFM à l’aide d’étalons de référence de hauteur de pas. Les normes d’étalonnage de référence contiennent trois grilles d’étalonnage approuvées par le National Institute of Standards and Technology (NIST).

Le mode de contact discontinu est adapté à la caractérisation de nanoparticules, qui sont fixées à un substrat via une faible force physique. Pour une imagerie précise, l’amplitude d’oscillation doit rester supérieure à 10 nm, idéalement entre 100 nm et 200 nm.

Plusieurs études ont montré que les caractéristiques et les dimensions du porte-à-faux et de la pointe de la sonde jouent un rôle important dans l’acquisition d’images AFM sensibles et à haute résolution. Par conséquent, plusieurs caractéristiques doivent être prises en compte lors de la sélection d’un porte-à-faux AFM pour l’imagerie. Certaines des caractéristiques clés incluent le rayon de la pointe et la géométrie de la sonde, car elles affectent la représentation globale des caractéristiques de surface. Les chercheurs utilisent généralement des pointes d’un rayon inférieur à 10 nanomètres pour imager les nanoparticules.

Il est important d’avoir un porte-à-faux stable pour une prise de vue réussie en mode contact intermittent. La stabilité du porte-à-faux peut être maintenue en fournissant une énergie appropriée qui peut surmonter les forces d’adhérence entre la pointe et l’échantillon. Les scientifiques ont rapporté que la dureté du porte-à-faux est d’environ 40 Nm-1 Il peut être utilisé pour pallier les problèmes de forces d’adhérence.

Traitement d’image AFM

Une fois qu’une image AFM a été générée en temps réel, elle peut être visualisée, modifiée et analysée à l’aide du logiciel fourni par le fabricant de l’AFM. Les images AFM sont généralement aplaties linéairement pour supprimer les effets résiduels du processus de développement d’image, tels que la dérive thermique et le balayage non linéaire.

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La plupart des progiciels AFM fournissent des fonctions d’analyse automatisée des particules qui contiennent la détermination de la ligne de coupe transversale, ce qui aide à mesurer la hauteur des particules en fonction des données de pixels. Il est important d’analyser un réseau de particules ainsi qu’une particule isolée pour la caractérisation.

Continuer à lire : Guide de préparation du modèle AFM.

Références et futures lectures

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Delphine Perrault

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