Atomic force microscopy is arguably the most versatile and powerful microscopy technology for studying samples at nanoscale. It is versatile because an atomic force microscope can not only image in three-dimensional topography, but it also provides various types of surface measurements to the needs of scientists and engineers. It is powerful because an AFM can generate images at atomic resolution with angstrom scale resolution height information, with minimum sample preparation.
So, how does an AFM work? In this page, we introduce you to the principles of an AFM with an easy to understand video animations. Feel free to share this page with others, and to email us if you have any questions.
AFM Principle
Nano World
Le préfix Nano vient du grec et indique un facteur de 10-9. Ainsi, un nanomètre est un milliardième de mètre, et l’unité à laquelle s’appliquent la force intermoléculaire et l’effet quantique. Pour mettre l’échelle nanométrique dans une perspective plus facilement compréhensible, imaginez que la taille d’un atome par rapport à une pomme est similaire à la taille d’une pomme par rapport à la planète Terre ! Les microscopes à force atomique (Atomic Force Microscopes – AFM) nous ouvrent donc ainsi une fenêtre sur ce monde à l’échelle nanométrique.
Principe des AFM
- Détection de surface
Un AFM utilise un levier (cantilever) avec une pointe très fine pour balayer la surface d’un échantillon. Quand la pointe s’approche de la surface, la force d’attraction à courte portée entre la surface et la pointe provoque la déviation du cantilever vers la surface. Cependant, dans le même temps, une force de répulsion de plus en plus importante entre en action et provoque l’éloignement du cantilever de cette dernière.
- Méthode de détection
Un rayon laser est utilisé pour détecter la déviation du cantilever vers la surface ou encore son éloignement. En réfléchissant un faisceau incident sur la partie haute du cantilever, toute déviation de ce dernier provoquera de légers changements de direction du faisceau réfléchi. Une photodiode sensible à la position (position-sensitive photo diode – PSPD) peut être utilisée pour suivre ces changements. Ainsi, si la pointe d’un AFM passe sur un élément de surface en relief, la déviation du cantilever qui en résulte (et le changement de direction du faisceau réfléchi qui suit) est enregistrée par la PSPD.
- Imagerie
Un AFM capture la topographie de la surface d’un échantillon en balayant le cantilever sur une région d’intérêt. Les éléments en relief ou en creux sur la surface de l’échantillon influencent la déviation du cantilever, qui est contrôlée par la PSPD. En utilisant une boucle de rétroaction pour contrôler la hauteur de la pointe au-dessus de la surface – maintenant ainsi une position du laser constante – l’AFM peut générer une carte topographique précise des éléments de la surface.