Microscopie de sonde de Kelvin : concepts et applications - CNRS - Centre national de la recherche scientifique Accéder directement au contenu
Cours Année : 2023

Microscopie de sonde de Kelvin : concepts et applications

Résumé

Depuis son invention en 1986, la microscopie à force atomique (AFM) a vu le nombre des champs disciplinaires dans lesquels elle était impliquée augmenter de façon exponentielle : physique fondamentale et appliquée, chimie, médecine/biologie, industrie, spatial... Depuis les caractérisations « topographiques » pionnières à l’échelle de quelques nanomètres jusqu’à la résolution intramoléculaire , depuis les premières mesures de nano mécanique , jusqu’à l’étude des processus tribologiques à l’échelle atomique , depuis les premières cartographies de conductivité jusqu’au contrôle de l’état de charge d’un atome , la technique n’a cessé de se développer avec une sensibilité, et une versatilité, toujours accrues. Concernant la dernière classe de mesures évoquées, beaucoup de « modes électriques » de l’AFM se sont développés, permettant, sur les échantillons idoines, des cartographies nanométriques de conductivité (Conductive-AFM), champ électrique (Electric Force Microscopy), capacité (Scanning Capacitance Microscopy), résistivité (Scanning Spreading Resistance Microscopy), piézoélectricité (Piezoresponse Force Microscopy) et de différence de potentiel de contact (CPD) telle que mesurée en microscopie de sonde de Kelvin (KPFM)... Si leur typologie de mesure les caractérise facilement, la mise en œuvre instrumentale de ces modes avec l’AFM est spécifique et peut paraître confuse au non-initié. Ainsi, pour certains la pointe doit être au contact de l’échantillon, quand d’autres s’exploitent en mode dynamique (à pression atmosphériques : tapping, ou sous ultra-vide : AFM non-contact), sur un ou plusieurs modes propres du cantilever... Certains peuvent être exploités en mode de balayage simple, ou double passe, d’autres en mode spectroscopique (x,y) ou « Data-cube » (x,y,z)… Dans ce cours introductif, nous nous concentrerons uniquement sur le couplage de l’AFM avec la microscopie de sonde de Kelvin, en tentant de bien préciser ses contours afin de lever toute confusion. La technique KPFM, développée dès 1991, repose sur la compensation des composantes de forces électrostatiques qui se développent entre la pointe de l’AFM et l’échantillon, conducteur ou non, lorsqu’ils sont connectés électriquement. Cette mesure peut conditionnellement être reliée au CPD pointe-échantillon local, i.e. à la différence entre leurs travaux de sortie. Néanmoins, le raccourci KPFM = CPD est abusif. Ainsi, comprendre l’origine de ces forces, dont la nature dépend du régime d’interaction de la pointe avec la surface, reste un point central pour comprendre l’origine du signal KPFM. Nous présenterons les concepts instrumentaux et les fondements théoriques de la technique. Nous donnerons des exemples d’applications à pression atmosphérique et sous ultra-vide, ainsi que des évolutions récentes, en relation avec des mesures spectroscopiques « Data-cube » et des mesures CPD résolues en temps.

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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

hal-04068415 , version 1 (13-04-2023)

Identifiants

  • HAL Id : hal-04068415 , version 1

Citer

Laurent Nony. Microscopie de sonde de Kelvin : concepts et applications. Doctoral. 24ème Forum des microscopies à sonde locale, Obernai, France. 2023, pp.140. ⟨hal-04068415⟩
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