De la recherche fondamentale au partenariat industriel

Microscopies à champ proche

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Résumé

Objectifs

Les microscopies à champ proche et de façon plus générale les microscopies à sonde locale permettent d’obtenir des informations et des images avec une résolution limitée par le rayon de la sonde plutôt que par la longueur d’onde. L’équipe « microscopies en champ propre et instrumentation » développe des microscopes multiphysiques combinant différents types d’ondes et d’interaction : acoustique, thermique, thermoélastique, électromagnétique, etc.

Soutiens financiers

INRS, ANVAR, France Telecom, NanoJura (transfert industriel en cours).

Description des travaux et résultats obtenus

Microscopies à champ proche utilisant les ondes acoustiques

Cette opération de recherche est toujours un thème porteur au sein de l'équipe. Ces techniques de microscopies à pointe vibrante ont la capacité de détecter des défauts sous la surface jusqu'à une profondeur pouvant atteindre 50 fois le rayon de la pointe, mais permettent aussi de caractériser à l'échelle locale les propriétés élastiques des matériaux. Les dernières avancées dans ce domaine peuvent être présentées en trois points.

Des résultats importants concernant l'analyse de l'origine du contraste observé lié à l'investigation subsurfacique ont été obtenus. Cette analyse à été menée d'une part par une approche prenant en compte des effets mécaniques, et d'autre part par une approche acoustique qui a permis de mettre avant des effets d'échelle pertinents. Par ailleurs une étude tout à fait originale concernant l'aspect non linéaire (non linéarité du contact de Hertz) du fonctionnement de ce microscope a été réalisée avec des perspectives intéressantes (thèse R. Boucenna soutenue en juin 2006).

Le deuxième point de ces avancées concerne l'utilisation du bruit thermomécanique en microscopie à pointe vibrante pour la caractérisation locale en mode contact. Au niveau de l'état de l'art, c'est le premier résultat montrant la possible détection du bruit thermomécanique des microleviers en mode contact et l'exploitation pour la caractérisation passive des matériaux à petite échelle.

Microscopie à pointe vibrante

Principe du microscope à pointe vibrante

fréquence de résonance

Evolution de la fréquence de résonance en fonction de l'appui

Au cours de ces dernières années nous avons mis au point un nouveau prototype de microscope à pointe vibrante pour la caractérisation de matériaux à faible module d'Young. L'originalité de ce dispositif réside dans l'utilisation du phénomène de magnétostriction pour l'excitation de la pointe. Le mouvement obtenu est une fonction quadratique du signal d'excitation. Cette particularité permet de découpler le signal de mesure et le signal d'excitation. Les figures ci-dessous montrent le principe de microscope et un exemple de résultat d'imagerie.

Effet magnétostrictif

Principe du microscope à champ proche à excitation magnétostrictive

image obtenue avec l'effet magnétostrictif

Image obtenue après le balayage d'une mire USAF utilisée pour la photopolymérisation sélective.

Microscopie utilisant les ondes électromagnétiques

Cette opération de recherche relativement récente au sein de l'équipe entre le cadre du projet transverse "micro et nano-antennes" de l'institut FEMTO-ST. Il s'agit de concevoir des micro-antennes et à terme des nano-antennes pour l'excitation et la détection de champs électromagnétiques à l'échelle locale pour des applications d'imagerie et de métrologie. Les figures suivantes présentent le principe du microscope développé et les premiers résultats obtenus concernant la réalisation de micro-antenne.

Remarque : une part de l'activité de l'équipe concernant les micro antennes est présentée dans le projet transverse "micro- et nano antennes".

Principe du microscope à champ proche électromagnétique

Principe du microscope à champ proche électromagnétique

Micro-antenne

Exemple de micro-antenne

Microscopie thermique et thermoélastique

Dans la continuité du microscope thermoélastique (versions champ proche et champ lointain), nous avons continué à travailler sur la détection locale de température et de déplacement en utilisant un système tout optique monopoint et un balayage mécanique. Une nouvelle approche physique a été envisagée : une pointe métallisée au contact avec un substrat conducteur échauffé réalise un thermocouple intrinsèque qui peut être utilisé pour la métrologie locale de température ; une cartographie peut aussi être réalisée par déplacement de la pointe détectrice. Ce procédé s'est avéré fonctionnel mais nécessite le développement de modèles physiques semi-macroscopiques pour donner une interprétation précise des comportements observés (il semble que des effets très locaux soient prépondérants). Du point de vue pratique, cette technique est bien adaptée à l'investigation des microsystèmes où les surfaces sont souvent planes et au moins faiblement conductrices. Cette approche fait en partie l'objet du travail de thèse de M. Genix.

Perspectives

Les recherches concernant les microscopies à champ proche constituent un part importante de l'activité de l'équipe, et continueront dans un cadre élargi : la micro-instrumentation. Les applications à la détection et à la métrologie des champs électromagnétiques à petite échelle notamment dans les milieux biologiques devraient constituer une part importante des futurs travaux dans ce domaine, ou encore le développement de techniques innovantes pour la métrologie thermique et mécanique à petite échelle.

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