29 Novembre 2013  |  Recherche et développement
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 09/2013

Un instrument d’analyse des surfaces

Issu du développement à partir de technologies connues de la microscopie et de la spectroscopie de masse, l’instrument NanoChemiscope 3D permet d’investiguer simultanément les propriétés physiques et chimiques de surfaces jusqu’au niveau atomique. Il fournit non seulement des images de surfaces de très haute résolution; mais il détermine également de quoi elles sont constituées.

Quel est le point commun entre un pingouin et la surface d’une cellule solaire? Pas grand-chose, reconnaît Laetitia Bernard, physicienne à l’institut Empa. Elle a toutefois dû sourire lorsque, travaillant sur une couche mince de polymères conçue pour le développement de cellules solaires organiques, elle a vu apparaître les contours d’un pingouin. Un petit détail dans le monde complexe de la microscopie de haut vol. L’instrument NanoChemiscope 3D développé à l’Empa permet, pour la première fois, d’investiguer localement à la fois les propriétés physiques et chimiques. Ainsi, il est possible de déterminer la nature exacte et la localisation en 3D des composés chimiques d’un échantillon. De plus, il est aussi possible de déterminer simultanément diverses propriétés mécaniques, telles que la dureté, l’élasticité ou le coefficient de friction, ainsi que de les corréler avec l’information chimique. Dans l’exemple du «pingouin», cela signifie que le NanoChemiscope 3D permet d’imager non seulement les contours de celui-ci, mais d’identifier également les polymères qui forment son «bec», son «œil» et ses «alentours». Grâce à cette nouvelle technique d’analyse, les chercheurs dans le domaine des cellules solaires peuvent contrôler efficacement les mécanismes régissant la formation des couches minces polymériques et adapter leurs procédures de fabrication selon les résultats désirés.
 
 
La réunion de deux technologies
La technique d’analyse proposée par le NanoChemiscope 3D n’est autre que la réunion de deux technologies établies, mais jusqu’à présent indépendantes. Le microscope à force atomique SFM (scanning force microscope) scanne la surface avec une pointe ultrafine, tandis que le spectromètre de masse à ions secondaires ToF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectrometry) détermine la composition chimique de la première couche moléculaire de la surface de l’échantillon au moyen d’un «bombardement» d’ions sur celle-ci.
Jusqu’ici, lorsque l’on souhaitait examiner des surfaces pour déterminer leurs propriétés tant chimiques que physiques, l’échantillon devait être analysé dans deux appareils différents. En raison du transport d’un instrument à l’autre, on encourait le risque de contaminer ou d’oxyder l’échantillon. En outre, sachant que les zones d’investigations sont généralement de l’ordre de quelques micromètres, il était quasiment impossible de retrouver exactement l’endroit examiné d’un instrument à l’autre. Qu’y avait-il alors de plus logique que de «réunir» les deux appareils dans une unique chambre à haut vide? Jusqu’à présent, les physiciens et les ingénieurs se heurtaient aux limites inhérentes à chacune de ces deux technologies. Dans le cadre d’un projet de quatre ans soutenu par l’Union européenne, Laetitia Bernard, directrice du projet, a développé un nouvel appareil dans lequel un SFM et un ToF-SIMS, disposés aussi près que possible l’un de l’autre, sont reliés par un système de déplacement sophistiqué dans une chambre capable d’obtenir des vides poussés. Suite à un travail minutieux mené en collaboration avec des chercheurs de l’Empa et des partenaires universitaires et industriels de plusieurs pays européens, le NanoChemiscope 3D a pu être conçu.
 
Résultat de l’analyse de surface ToF-SIMS/SFM combinée tridimensionnelle, d’une couche mince de polymères PCBM/CyI, utilisée dans la division d’Empa «polymères fonctionnels» pour le développement de cellules solaires organiques.
 
Une précision de l’ordre d’une centaine de nanomètre
Outre les développements liés au SFM et au ToF-SIMS en vue d’obtenir des performances accrues, les experts de l’Empa ont particulièrement mis l’accent sur le développement du système de déplacement piezo-motorisé de l’échantillon. En effet, celui-ci est vital pour «passer» rapidement du ToF-SIMS au SFM et vice versa, en assurant une précision de l’ordre d’une centaine de nanomètres. Ceci est effectué au moyen de platines combinées sur cinq axes, qui «glissent» sous l’action de piézomoteurs sur des rails comportant un revêtement de carbone semblable au diamant (DLC). Ainsi, l’endroit à examiner peut être analysé dans les positions les plus diverses.
Après sa finalisation, le prototype - un géant d’aluminium de 1 m de longueur, de 70 cm de largeur et d’une hauteur de 1,70 m - est actuellement en fonctionnement chez le partenaire du projet ION-TOF GmbH à Münster en Allemagne. Il est utilisé par des clients industriels et des partenaires de recherche. La construction d’instruments commerciaux est prévue, vu l’intérêt suscité dans la communauté scientifique.

Empa
8600 Dübendorf
Tél: 058 765 11 11


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