NUMERICAL AND THEORETICAL APPROACHES OF ATOMIC FORCE MICROSCOPE:‭ ‬INTERACTION,‭ ‬DYNAMICS AND IMAGING - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2012

NUMERICAL AND THEORETICAL APPROACHES OF ATOMIC FORCE MICROSCOPE:‭ ‬INTERACTION,‭ ‬DYNAMICS AND IMAGING

APPROCHES NUMÉRIQUE ET THÉORIQUE DU MICROSCOPE À FORCE ATOMIQUE‭ ‬:‭ ‬INTERACTION,‭ ‬DYNAMIQUE ET IMAGERIE

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Fabien Castanié
  • Function : Author
  • PersonId : 936921

Abstract

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.‭
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.‭
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tel-00788143 , version 1 (15-02-2013)

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  • HAL Id : tel-00788143 , version 1

Cite

Fabien Castanié. APPROCHES NUMÉRIQUE ET THÉORIQUE DU MICROSCOPE À FORCE ATOMIQUE‭ ‬:‭ ‬INTERACTION,‭ ‬DYNAMIQUE ET IMAGERIE. Physique Numérique [physics.comp-ph]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00788143⟩
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