Atomic Force Microscopy Based Micro/Nanomanipulation
Micro/Nanomanipulation basée sur un Microscope à Force Atomique
Résumé
At nanoscale, a scientific fundamental problem is the manipulation of nanoob- jects in ambient conditions. This difficulty is a mayor barrier for applications like nan- otransistors, nanosystems or future NEMS (Nano Electro-Mechanical Systems). These emerging devices are in consequence, slowed in their experimental development. This dis- sertation is done according to the research roadmap of the microrobotics team at ISIR. It is focused on the use of force sensors for a repeatable positioning of tools and control based on multi-sensor feedback for manipulation of micro and nanoobjects. The AFM (Atomic Force Microscope) force feedback has been exploited for micro and nanomanipulation. Initially, a nanotweezer has been conceived with the protrudent tip from two AFM cantilevers. With it, three diminutional micromanipulation of nylon mi- crospheres has been achieved in the air with the grasping force estimated with the force feedback of each cantilever. Then, pick and place on the edge of silicon nanowires has been done in order to build nanocrosses, they could be used for example, for the fabrication of nanotransistors. After, an in-situ SEM robotic system for mechanical characterization of nano structures has been made. Quart tuning forks were used for dynamic force sensing. 8 The non-constant stiffness behavior of helical nanobelts during their full tensile elongation has been revealed for the first time in full range. At the end of this work, dynamic force feedback techniques are used to achieve a high speed, non-invasive AFM imaging. Partic- ularly, it was used to improve the parallel imaging/manipulation task under AFM.
A l'échelle nanoscopique, un problème scientifique fondamental réside dans la difficulté de manipuler de façon interactive et répétable un nano-objet. Cette difficulté est un frein majeur pour des applications comme les nanotransistors, les nanosystèmes ou les futurs NEMS (Nano Electro Mechanical System). Ces dispositifs émergents sont ainsi ralentis dans leur cadre expérimental. Cette thèse s'inscrit dans la continuité des recherches développées au sein de l'équipe de microrobotique de l'ISIR. Elle se focalise sur l'exploitation de capteurs d'effort pour la manipulation contrôlée à plusieurs doigts actifs. Le microscope à force atomique est utilisé pour ses propriétés de capteur d'effort. Dans un premier temps, un préhenseur composé de deux doigts indépendants avec mesures des forces d'intercation a été conçue. Avec ce système original, des micromanipulations en trois dimensions de microsphères ont été réalisée avec succès dans l'air, en mesurant de façon continue les efforts d'interaction. Ce système a aussi été utilisé pour saisir et déposer des nanofils afin de former des nanocroix, ces dernières étant des nanostructures émergentes pour la fabrication, par jonctions, de nanotransistors. Par la suite, des oscillateurs en quartz ont été utilisés pour la caractérisation de nanostructures, avec retour d'effort dy- namique. Le comportement non-linéaire en raideur de nanohélices lors de l'élongation a été caractérisé pour la première fois sur la totalité de la plage. Enfin, des sondes en quartz de haute fréquence ont été exploitées pour augmenter la vitesse d'acquisition d'images de l'AFM. De cette manière, la tâche de manipulation et d'imagerie en parallèle sous AFM a été optimisée et de nombreuses applications sont maintenant envisagées.