Formation sur les techniques KFM à Grenoble

Pour la seconde année consécutive, le réseau RéMiSoL (voir ci-dessous), avec le soutien du CEA LETI, de l’IEMN et de partenaires industriels (NanoAndMore, Zurich Instruments), a proposé une action nationale de formation (ANF) CNRS le 7 et 8 Novembre sur le thème de la microscopie à sonde de Kelvin (KFM ou parfois également appelé KPFM), technique utilisée pour la mesure de potentiel de surface à l’échelle nanométrique. Cette action s’inscrit dans le cadre d’un besoin en caractérisation électrique locale grandissant et souvent complexe.

La formation pratique sur les microscopes AFM en petits groupes de 5 personnes a permis d’illustrer concrètement les cours théoriques du matin. C’est essentiellement le mode de passage unique (single-pass) qui a été privilégié car c’est la méthode la plus efficace pour découpler réellement les contributions électrostatiques de celles liées à la topographie, tout en ayant une mesure simultanée. La contribution de Zurich Instruments a permis d’illustrer une grande variété de mode KPM indépendamment du microscope AFM en faisant l’asservissement électrique tout en laissant le contrôleur AFM s’occuper de la topographie (régulation en Z).

Parmi les points importants abordés lors de l’atelier, nous pouvons citer :

  • La distinction entre une mesure sensible à la force \(F\), au travers de la mesure directe de l’amplitude (e.g. AM-KFM) par rapport à une mesure sensible au gradient de la force \(dF/dz\), au travers de la mesure de la phase mécanique (e.g. FM-KFM).
  • C’est une double détection synchrone, ou mode tandem, qui est nécessaire pour la mesure de l’Amplitude (sensible à la Force) ou de la Phase (sensible au Gradient) mécanique, démodulée dans un second temps à \(\omega\) pour déterminer la contribution électrostatique. Une boucle d’asservissement PID annule alors la composante (de force ou de gradient de force) en ajustant la tension de polarisation de sorte que \(V_{DC}=V_{cpd}\)
  • En pratique, le mode AM-KFM est plus simple et plus robuste à mettre en place, particulièrement pour de grands scans alors que le mode FM-KPM permet une meilleure résolution à courte portée mais reste plus difficile à optimiser. La contribution de capacités parasites (cône, levier) contribue à une plus grande stabilité en mode AM-KFM au détriment de la résolution spatiale. En mode FM-KFM, cette contribution est minimisée et seule la contribution issue de l’apex de la pointe participe à la mesure. Ceci a pour effet d’obtenir un plus grand contraste et une meilleure résolution latérale.
  • Une revue des principaux modes d’acquisition : AM vs FM-KFM, KFM en boucle ouverte (OL-KFM), KFM avec suivi de fréquence (DFRT KFM).

Voici pour résumer un bon survol des différents modes adressés lors de cette formation, en particulier avec l’utilisation des differentes fréquences propres du levier ou une simple fréquence de modulation, avec l’aimable autorisation de Nicolas Chevalier du CEA LETI:

La différence entre la mesure EFM (Electrostatic Force Microscopy) qui mesure l’interaction électrostatique à DC, \(\omega\) et \(2\omega\) mais sans asservissement a clairement été expliquée par rapport à la méthode KFM qui compense en dynamique la contribution du potentiel de surface, inclus uniquement dans la composante à \(\omega\). Au final, la méthode dite ‘boucle-ouverte’ ou ‘Open-Loop (OL) permet de réconcilier les deux approches en remontant à la fois au potentiel de surface local \(V_{cpd}\) ainsi qu’au gradient de la capacité \(dC/dz\) sans avoir de contrainte liée à l’asservissement. La contrepartie est soit une mesure hors-résonance (et donc sans bénéficier de cette effet d’amplification) soit le double passage.  Pour conclure, une mesure à la résonance, en boucle ouverte et en simple passage, a donnée quelques pistes supplémentaires de réflexion pour ceux qui voulaient encore aller plus loin…

A propos de RéMiSoL

Le Réseau des Microscopies à Sondes Locales est un réseau technologique du CNRS pour fédérer physiciens, chimistes et biologistes autour des techniques de champ proche allant des microscopies à effet tunnel et à force atomique jusqu’à l’optique en champ proche: http://remisol.cnrs.fr/

C’est ce même réseau qui soutient annuellement le Forum des Microscopies à Sondes Locales : http://www.sondeslocales.fr/

Remerciements

C’est avec un grand enthousiasme que je remercie Nicolas Chevalier (organisateur local et orateur), Denis Mariolle et Łukasz Borowik du CEA LETI Grenoble ainsi que David Albertini (INSA Lyon) en tant que coordinateur RéMiSoL. Gilbert Gillmann (NanoAndMore) fourniture de pointes et Thierry Melin (IEMN) support de cours