Tâche 2 : Stratégies de micro/nano-manipulation et caractérisation

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La caractérisation en raideur de micro-membranes suspendues d'InP de 200 nm d'épaisseur nécessite un processus de mesure non-destructif, et donc un système de manipulation de résolution nanométrique stable. La cartographie de cette raideur sur des surfaces de l'ordre de 10x20 µm implique quant à elle une mesure à sonde locale, afin d'obtenir la résolution spatiale requise.

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Le procédé de mesure retenu correspond à une technique de FM-AFM, ou ''microscope à force atomique par modulation de fréquence'', où un résonateur – ici un diapason, élément électronique classiquement utilisé en horlogerie à la fréquence propre de 32kHz – est excité en mode fondamental. L'influence de forces extérieures sur son oscillation permet d'en déduire leur intensité par traitement analogique.

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Une pointe est collée au diapason. Le bout de cette pointe, de diamètre de l'ordre de 50 nm, vient en contact d'une membrane qui se joint au système oscillant de la sonde, dont l'excitateur maintient l'amplitude et la phase d'oscillation constantes. Le changement de fréquence qui en résulte est directement lié à la raideur locale de l'échantillon par un modèle mécanique masse-ressort.

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Le système de nano-manipulation comporte un manipulateur 3-axes qui pilote la sonde, et une plateforme à 6 degrés de liberté sur laquelle sont fixés les échantillons et qui corrige leur assiette, de sorte à ce que la pointe de la sonde soit perpendiculaire à la surface de l'échantillon. Cette plateforme de dimensions 10x13cm a été implémentée dans la chambre sous vide d'un microscope électronique nécessaire à l'identification des échantillons, et au positionnement précis de la sonde lors de la cartographie.

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Un système de réalité virtuelle et d'automatisation a été développé pour observer le système global lors de son opération dans le microscope. Il permet l'approche instantanée de la sonde à 50 µm au dessus de l'échantillon, puis la descente automatique rapide mais délicate de la sonde jusqu'au contact de l'échantillon. La prise de mesure de raideur qui suit, correspondant à la stabilisation de la fréquence d'oscillation après l'entrée en contact, est également automatisée.

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Les cartographies de raideur qui ont été obtenues serviront à confirmer et calibrer les simulations mécaniques précédentes des membranes, en vue de la conception des modèles suivants.
Les travaux en cours poursuivant cet axe de recherche consistent en l'adaptation de sondes à beaucoup plus hautes fréquences, jusqu'à 10 MHz, pour la mesure dynamique de membranes en oscillation.


FEMTO-ST ISIR LPN IRISA