Approches numérique et théorique du microscope à force atomique : interaction, dynamique et imagerie

par Fabien Castanié

Thèse de doctorat en Physique de la matière

Sous la direction de Xavier Bouju.

Soutenue en 2012

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    La microscopie à force atomique (AFM) est un outil puissant et polyvalent capable de réaliser des images avec une résolution sub-nanométrique d'un grand type d'échantillons, comme des surfaces de matériaux inorganiques avec ou sans molécules adsorbées, et d'opérer dans des environnements allant de l'ultra-haut vide (UHV) à l'interface solide/liquide. Parmi les différents modes existants, l'AFM en mode modulation de fréquence (FM-AFM) donne des résultats remarquables grâce à deux boucles de contrôle et une d'asservissement qui s'influencent mutuellement. En contrepartie, la compréhension du fonctionnement de la machine ainsi que l'optimisation de ses réglages s'avèrent délicates. De plus, cette difficulté est accentuée par l'interprétation souvent complexe liée aux phénomènes spécifiques à l'échelle nanométrique. Pour pallier ces difficultés, le travail de thèse a consisté en l'élaboration d'un AFM numérique (n-AFM) à partir d'un code de calcul conçu par L. Nony en langage C. Après une phase d'implémentation en Fortran 90 pour assurer portabilité et compatibilité avec d'autres programmes scientifiques, de nouvelles fonctionnalités ont été développées. Parmi celles-ci, un couplage avec un code de dynamique moléculaire (MD) a été réalisé afin de considérer les effets de température et de relaxation du système imagé. Ces développements du n-AFM ont permis de mettre en oeuvre différents régimes et modes d'utilisation à travers l'étude de plusieurs systèmes. En premier lieu, des molécules bi- et tri-dimensionnelles adsorbées ont permis d'éprouver la sensibilité et la stabilité du n-AFM en simulant un cantilever classique et un tuning fork. En deuxième lieu, la reconstruction de la surface 6H-SiC(3X3) a été étudiée à l'aide de la MD puis du n-AFM. Les images expérimentales de cette reconstruction révèlent un comportement atypique que nous nous sommes efforcés de comprendre et d'expliquer. Enfin, l'utilisation du n-AFM a été étendue à d'autres domaines que l'étude des surfaces et molécules. En particulier, nous avons modélisé et étudié en FM-AFM l'influence d'un défaut sur les parois d'une nano-pointe oscillant à l'interface air/liquide. Et nous avons enfin poursuivi par l'étude de l'influence, sur le comportement d'un AFM en mode modulation d'amplitude (tapping mode), de nano-films de liquide à la surface du système pointe-substrat.

  • Titre traduit

    Numerical and theoretical approaches of atomic force microscope : interaction, dynamics and imaging


  • Résumé

    The atomic force microscopy (AFM) is a powerful and versatile tool capable of imaging with a sub-nanoscale resolution, samples as inorganic materials surface with or without adsorbed molecules, and operating in environments ranging from ultrahigh vacuum (UHV) to solid/liquid interface. Among the different existing modes, the frequency-modulation mode of AFM (FM-AFM) provides remarkable results thanks to three control loops that influence self-consistently. In return, the understanding of the machine operation as well as the optimization of its settings appear tedious. Moreover, this difficulty is accentuated by the often complex interpretation related to specific phenomena at the nanoscale. To overcome these difficulties, the present thesis work consisted in the elaboration of a numerical AFM (n-AFM) from a program designed by L. Nony in C language. After a phase of implementation in Fortran 90 to ensure portability and compatibility with other scientific programs, new features have been developed. Among these, a coupling with a code of molecular dynamics (MD) was performed to consider the effects of temperature and relaxation of the imaged system. These n-AFM developments helped implement various regimes and working modes through the study of several systems. First, adsorbed bi- and tri-dimensional molecules helped to test the sensitivity and the stability of the n-AFM simulating a classical cantilever and tuning fork. Second, the surface reconstruction 6H-SiC (3X3) was studied using the MD and then the n-AFM. Experimental images of this reconstruction show an atypical behavior that we tried to understand and explain. Finally, the use of the n-AFM has been extended to other areas than the study of surfaces and molecules. In particular, we modeled and studied the influence of a defect on the walls of a nano-tip oscillating at the air/liquid interface with FM-AFM. Finally, we studied the influence on the behavior of a AFM in amplitude modulation mode (tapping mode) of liquid nano-films on the tip-substrate system surface.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (180 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 147-161. Annexes

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2012 TOU3 0223
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