Caractérisation à l'échelle micro/nanométrique par Force Feedback Microscope

par Simon Carpentier

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Joël Chevrier et de Elisabeth Charlaix.

Soutenue le 01-12-2016

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Claude Verdier.

Le jury était composé de Thierry Ondarçuhu, Christian Fretigny.

Les rapporteurs étaient Frédéric Restagno, Jérôme Crassous.


  • Résumé

    La mesure quantitative de propriétés mécaniques à l’échelle nanométrique en matière molle est un réel enjeu pour de nombreux domaines, en particulier en biologie. Cette thèse propose une technique de microscopie, appelé Force Feedback Microscopy (FFM), permettant de mesurer simultanément la force statique, la raideur G’ (N/m) et la dissi- pation G” (N/m) à une fréquence arbitraire à l’échelle nanométrique.Cette technique utilise un microlevier AFM muni d’une pointe ou d’une sphère. Une contre-force, qui maintient en temps réel la position de la pointe constante, permet de maintenir le système mécaniquement stable et de mesurer la force statique. Dans cette configuration, le régime linéaire de l’interaction et de oscillateur harmonique est obtenu grâce à de petites amplitudes d’oscillation. Dans le formalisme de la réponse linéaire, la raideur G’ et la dissipation G” sont obtenues par une transformation linéaire de l’amplitude et de la phase.Grâce à des cas d’école (couplage électrostatique et confinement hydrodynamique), les performances expérimentales sont démontrées.Grâce au FFM, nous présentons les propriétés viscoélastiques mesurées d’un nanomé- nisque à partir de mesure à différentes fréquences. Nous mettons en évidence un régime hors-équilibre thermodynamique, où le nanoménisque oscille à volume constant avec une ligne de contact ancrée.Une méthode de mesure sans contact direct en milieu liquide de propriétés mécaniques d’échantillon mince et mou à l’échelle nanométrique est présenté. Cette méthode, basé sur le travail E.Charlaix avec le SFA (le Surface Force Apparatus fût le premier instrument à mesurer les forces de Van der Walls), permet de s’affranchir des forces de surfaces qui dominent à faible indentation lors de mesure par contact direct. Le travail effectué pendant ma thèse permet de positionner le FFM comme un nano-SFA.Afin de mettre cette méthode à disposition pour le plus grand nombre, le transfert technologique vers un AFM commercial est effectué.

  • Titre traduit

    Characterization at the micro / nanoscale by Force Feedback Microscope


  • Résumé

    Quantitative measurement of mechanical properties of soft material at the nanoscale is a real challenge for many areas, particularly in biology. This thesis proposes a microscopy technique called Force Feedback Microscopy (FFM) for simultaneously measuring the static force, the stiffness G’(N / m) and the dissipation G"(N / m) at an arbitrary frequency at the nanoscale.This technique uses an AFM cantilever with a tip or sphere. A feedback force, that maintains in real time the position of the tip constant, ensures the mechani- cally stability and measure the static force. In this configuration, the linear regime of interaction and harmonic oscillator is obtained through small oscillation ampli- tudes. In formalism of the linear response, the stiffness G’ and the dissipation G" are obtained by a linear transformation of the amplitude and phase. Through case study (electrostatic coupling and hydrodynamic confinement), experimental performance is demonstrated.Thanks to the FFM, we present the measured viscoelastic properties of nanomenis- cus for different measurement frequencies. We highlight a thermodynamic system out of equilibrium, where the nanomeniscus oscillates at constant volume with a locked contact line.A method for non-contact measurement in liquid medium of mechanical prop- erties of thin and soft sample at the nanoscale is presented. This method, based on the work of E.Charlaix with SFA (the Surface Force Apparatus was the first instrument to measure the forces of Van der Waals), overcomes the forces of sur- faces that dominate at low indentation during direct contact measurement. The work done during my PhD positions the FFM as a nano-SFA.To put this method available to the greatest number, technology transfer to commercial AFM is performed.


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