Caractérisations de nanomatériaux par AFM Beaucoup de méthodes Simple imagerie...

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  • Caractrisations de nanomatriaux par AFM Beaucoup de mthodes Simple imagerie ! Mesure / utilisation des interactions mcaniques Echelles nanomtriques : adhsion, frottement, physicochimie Mesures mcaniques Echelle molculaire Exemples Environnement : air solvant temprature Simplicit du dispositif Qualitatif / comparatif / semi-quantitatif Quantitatif...
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  • Z ch. Van der Waals Adhrence Modulation de la hauteur chantillon (dents de scie) mesure de la dflection Surface rigide humidit pH, force ionique physico-chimie de la pointe Surface dformable frquence raideur du cantilever forme du bout de pointe profondeur indente Les courbes de force Z ch. Indentation Force
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  • The AFM modes (local measurements) F z Tapping mode Topography Mechanical pp. Resonant (Topography) Magnetic pp. Electrostatic pp. Contact Topography Mechanical pp. Friction Tip-surface interactions A D C B Friction measurement Force curve Z ch. Adherence Elasticity Simultaneously
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  • Si(SiO 2 ), Si 3 N 4 (Pt, diamant, nanotube) L = 100 200 m k =.01 100 N/m R 0 = 10 300 kHz R = 3 50 nm Le microscope force atomique : cantilevers et pointes
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  • Resolution (x,y) Information lost Non-linear transform convolution ! Not a single number ! z direction: < 0.1 nm
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  • Mechanical effects a few a P Hertz -> Adhesion !!! (JKR,DMT, capillarity) Sample (and tip) deformation ; Contact size ? Static / sliding / intermittent contact !!! E 1MPa P = 0 ! h 100 nm
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  • Resolution (x,y) M. A. Lantz et al. PRL (2000) Silica sphere, =100 nm Single sphere, pyramidal tip ! silicon (111) 7 x 7 UHV, dynamic mode Mica, contact mode ! stick-slip (?)
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  • Imagerie : les frottements Film de latex Hauteur Frottement Principalement qualitatif Interaction mcanique pointe - surface
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  • La physico-chimie par limagerie topographie frottement Variations dindice par P 2 O 5 Pointe Si3N4 sur SiO2 plus ou moins dop Destouches et al. Langmuir 2003, 19, 6570-6572
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  • Anisotropie du frottement hauteur frottement R.W. Carpick et al. Trib. Lett. 7 (1999) 79 Monocouche de polydiacthylne sur mica (Langmuir)
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  • Hauteur Phase 10m x 10m. film d'un mlange polyacrylamide / polyvinyl alcool Macromol. 2007, 40, 8336-8341 Imagerie : tapping mode contrastes mcaniques
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  • Imagerie : tapping mode (contact intermittent) Excitation la frquence de rsonance du cantilever Asservissement de la hauteur de lchantillon pour avoir une amplitude constante Mesure : topographie et dphasage Le dphasage est une mesure de la dissipation de linteraction pointe / surface Elastomres acrylates chargs de billes de silice monodisperses = 50 nm Hauteur 79% 20 Phase 98% 4 Rev. Sci. Inst. 75 2529 (2004)
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  • Copolymers: Magnetic nanodot arrays patterned using block copolymer templates CoCrPt ou Ti et PS-b-PMMA Choi et al. Nanotechnology 15 (2004) 970974
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  • Des courbes de force points par points: le pulsed force mode ex. : adhsif dun film protecteur de carrosserie Doc. Witec Topography Force Temps
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  • Le microscope force chimique (CFM) Pointe recouverte de silanes ou de thiols : fonctionalisation -CH 3, -NH 2, -OH, -COOH, -CF 3 Caractrisation de la physicochimie de surface par une mesure dadhrence point par point (ou de frottement) Frisbie et al., Science 265 (1994) 2071 discrimination dnantiomres ! S-S R-S S-R R-R Rac Acide mandelique R. McKendry et al., Nature 1998, 391, 566.
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  • Echelle molculaire : conformations des molcules Dpliements de domaines dans une protine gante (la titine) J. Clarke, S. Fowler et A. Steward Cambridge University, UK. poly(ethylene-glycol) dans leau F Oesterhelt, M Rief et H E Gaub New Journal of Physics 1 (1999) 6.16.11
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  • Molecular elasticity Force C M. Rief et al., Science 275 (1997) 1295 Dextrane, effect of chain length Entropic / enthalpic elesticity
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  • Single molecules Ohira et al., Chem. Commun., 2006, 27052707 Chirality polysilane DNA Surface effects S. Boichaut, D. Michel, E. Le Cam (IGR, Villejuif)
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  • Imagerie : mouillage, nano-manipulation S. Cuenot, Nantes Dplacement dun nanotube de carbone Nanotubes de carbone / graphite Energie de liaison par unit de longueur : 1.3 nJ/m T. Hertel et al., J. Phys. Chem. B, 102 (1998) 910 Bille de latex adsorbe A.W.C. Lau et al. Europhys.Lett., 60 (2002) 717 Mthodes indirectes Forme = Elasticit + adhsion + frottement Dformations lchelle nano
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  • Dformation dlastomres chargs =1 =1.9 Silica spheres monodisperses (E~10 GPa ; diameter = 80 nm) Elastomer matrix (E~1MPa) Crosslinked Poly(Ethyl Acrylate) Covalent bonds Sphere/Matrix Concentrated dispersion (8 - 16% vol.) Fonction de corrlation des paires des centres EPJ E, 22 (2007) 77 Dformations lchelle nano
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  • Imagerie : dmouillage lchelle nanomtrique T. Ondaruhu, A. Piednoir CEMES Toulouse
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  • Mesures quantitatives talonnage des raideurs, de la dtection Mesure du rayon de bout de pointe Modles de mcanique du contact (Hertz, DMT, JKR) (adhsion, viscolasticit) La taille du contact est, en gnral, inconnue assez peu dtudes compltes Mesures qualitatives, comparatives, semi-quantitatives Formes, tailles Dformations, dplacements de nano-objets, Transitions mcaniques en temprature (ex. frottements vers T G )
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  • Forces interfaciales W.A. Ducker et al., Nature, 353 (1991) Bille SiO 2 / SiO 2 Ajustements DLVO OMCTS / graphite Forces de structuration Wenhai Han, S. M. Lindsay, Appl. Phys. Lett., 72 (1998) 1656-1658
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  • Vibrations du cantilever Cantilever, poutre encastre une extrmit avec y(0)=0 et y(0)=0 Forme quelconque, calcul approch ou numrique seul (Rayleigh-Ritz, lments finis) Contact : deux raideurs kTkT kNkN k De nombreuses mthodes
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  • Contact resonance frequency (ultrasonic or acoustic mode) Interdiffusion between elastomers: Interphase thickness Topography Frequency shift J. Appl. Polym. Sci. (in press, 2008)
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  • Interfaces de polymres 375 370 365 360 Resonance frequency (kHz) 250200150100500 Tip location (nm) PE/PP PE/PS Frquence au contact : Profils dinterfaces Quantitatif ? +/- Avec C. Cunot et B. Nysten, Louvain-la-Neuve PBT Elastomre Position (m)
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  • Nanowires mechanical properties Nanowires Ag, Pb, polypyrrole - 3 points bending - contact resonance frequency F L surface stress Young modulus J. Appl. Phys. 95 (2003) 5650 Phys. Rev. B69 (2004) 165410 30 = 78 GPa E Ag = 76 GPa Ag Dformations lchelle nano
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  • LAFM pour ltude de la mcanique des surfaces AFM : impose des dplacements, mesure des force, oui mais la taille du contact est en gnral inconnue la forme du bout de pointe est mal connue raideur du cantilever gomtrie ! ! Mcanique du contact (adhsif) Ordres de grandeur : Equilibre : E=1GPa a=qq nm, bout de pointe ? E=1MPa a=qq 100 nm, rsolution (!) Hors quilibre (glissemment, tapping) : thorie ?? a qq. a Interaction pointe-surface / Dformations lchelle nano / Mesures de force
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  • Ladhsion dun matriau viscolastique h0h0 0 h(t)h(t) Profondeur dindentation : (t) = h(t) - h 0 Force applique nulle (dflection nulle par asservissement de la hauteur) Latex styrene-butadiene T G = -2C E 1 Mpa 050010001500200025003000 0 50 100 150 200 250 300 Profondeur dindentation (nm) Temps (s) (t) Gomtrie OK (pas de dflection) Force impose R Trib Lett. 10 (2001) 189-193
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  • Recouvrance de lempreinte 500100015002000 -0.5 0.0 0.5 Normalised profiles Recouvrance affine Mesure de la fonction de relaxation C.R. Acad. Sci. Paris IIb, 325 (1997) 211-220
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