Manipulation dans le micro/nanomonde : dispositif haptique préhensile

par Antoine Nigues

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Fabio Comin et de Florence Marchi.

Soutenue le 06-09-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec CP (équipe de recherche) et de Institut Néel (laboratoire) .

Le président du jury était Skandar Basrour.

Le jury était composé de Fabio Comin, Florence Marchi, Philippe Lutz, Antoine Ferreira.

Les rapporteurs étaient Philippe Poncharal, Didier Tonneau.


  • Résumé

    Le rayonnement synchrotron et la microscopie à sondes locales (SPM) sont deux des techniques les plus utilisées pour étudier les propriétés physiques et chimiques de nanostructures. Le couplage de ces deux techniques est prometteur pour les nanosciences en leur ouvrant de nouveaux horizons. D'un point de vue expérimental ce couplage est un défi exaltant et a déjà prouvé ses capacités par la combinaison de la Microscopie à Force Atomique (AFM) et de la diffraction de Rayons-X pendant le projet X-tip, qui, grâce au développement d'un microcope à force atomique embarqué sur une lugne de lumière synchrotron a permis l'étude du module de Young de microplots de germanium en procédant simulatanément à son indentation et à son analyse par diffraction. Cependant, cette configuration ne permet pas de manipuler en trois dimensions (3D). Le but ultime, pour notre nano-manipulateur est de manipuler en 3D avec un contrôle permanent des nano-forces exercées sur l'objet sous un faisceau d'analyse (rayon X, LASER). Le premier chapitre s'attarde donc sur les senseurs qui devront rendre compte des interactions à l'échelle nanométrique et permettre la saisie d'un objet individuel. Après un tour d'horizon de différentes techniques de micro/nanomanipulation disponibles à ce jour (micro-préhenseurs mécaniques basés sur la technologie MEMS, pinces optiques, préhenseurs basés sur la microscopie à force atomique conventionnelle) et devant les contraintes qu'implique le couplage d'un tel système avec les expériences synchrotron, le choix des oscillateurs à quartz (Diapason et LER) en tant que senseurs est expliqué. La microscopie à force atomique en générale et le fonctionnement particulier de ces oscillateurs sont décrits. Dans le second chapitre le développement instrumental de notre station de nanomanipulation est détaillé et notamment : Comment mettre en place ce type de résonateurs et la pointe associée pour réaliser à la fois l'imagerie AFM de l'échantillon et la préhension de l'objet? Comment contrôler le positionnement grossier et fin des trois éléments d'une nanomanipulation? Enfin le système haptique ERGOS et son couplage avec notre montage est décrit. Dans le dernier chapitre, deux types d'expériences sont présentés : le premier ne fait intervenir que notre montage piloté classiquement par ordinateur et montre ses capacités à réaliser la préhension d'objets micrométriques de manière contrôlée. Le second fait intervenir le couplage entre notre montage et le système haptique pour réaliser l'exploration rapide d'un échantillon ainsi que la localisation et la reconnaissance de forme d'objet sub-micronique. Ces expériences rendent compte des capacités de ce couplage à transmettre directement à un utilisateur les interactions à l'échelle nanométrique ainsi que la possibilité par l'intermédiaire de cette interface de réaliser des tâches complexes : manipulation sur une surface, reconnaissance de forme, et suivi de contour.

  • Titre traduit

    Micro/nanomanipulation : Micro/nanomanipulation : Haptic device


  • Résumé

    The synchrotron radiation and scanning probe microscopy (SPM) are the (two) most used techniques to study the physical and chimical properties of nanostructures. Coupling these two techniques is promising for the nanosciences by opening news horizons. From an experimental point of view, this coupling is an exciting challenge and has already proven its skills with the combination of Atomic Force Microscopy (AFM) and X-Ray diffraction during the X-tip project, which, thanks to the development of an atomic force microscope embended on a synchrotron beamline, has permitted to study Young's modulus of germanium microplots proceeding simultaneously with its indentation and its diffraction analysis. However, this configuration doesn't permit a three dimension (3D) manipulation. The ultimate goal, for our nano-manipulator, is to manipulate in 3D with a permanent control of nano-forces exerted on the object undcer a scanning beam (X-Ray, laser). The first chapter therefore focuses on the sensors which measure the interactions at a nanometer scale and permit the seizure of an individual object. After an overview of the differents techniques of micro/nano-manipulation available today ( mechanical micro-grippers based on MEMS technology, optic tweezers, grippers based on conventionnal atomic force microscopy), and in front of the constraints implied by the coupling of this kind of system with the synchrotron experiments, the choice of quartz oscillators (Tunning fork and LER) as sensors is explained. The atomic force microscopy in general and the particular behavior of these oscillators is described. In the second chapter, the instrumental development of our nano-manipulation station is detailed and especially : How to implement this type of resonators and the associated tip to achieve both AFM imaging of the sample and gripping of the object ? How to control the coarse and fine positionning of the three elements of a nano-manipulation ? Finally, the haptic system ERGOS et its coupling with our assembly is describe. In the last chapter, two types of experiments are presented : the first involves only our assembly piloted classically with a computer and show its skills in the achievement of gripping of micrometric objects in a controled way. The second involves the coupling between our assembly and the haptic system to achieve the fast exploration of a sample and also the location and shape recognition of sub-micronic objects. These experiments reflect the capacities of this coupling to directly transmit to an user the interactions at a nanometer scale and also the possibility using this interface to achieve complex tasks : manipulation on a surface, shape recognition and contour tracking.


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