Bringing light into the nanoworld: What can you do with an atomic force microscope on top of your synchrotron radiation sample holder?

Que peut-on faire avec un microscope à force atomique dans un porte échantillon d'un synchrotron?

Mario Manuel Silveira Rodrigues (1)

1 ESRF - European Synchrotron Radiation Facility

This thesis had as a major objective to combine scanning probe microscopy in particular, atomic force microscopy with synchrotron light spectroscopies. The combination of these two types of spectroscopies is meant to be in-situ and in real time. Thus this thesis aimed at introducing new types of experimental techniques suitable for the investigation of nano-sized materials. The proposed new instrumentation, would provide chemical-specific contrast at unprecedented lateral resolution of up to 10-40 nanometers, thus overcoming existing limitations of the two families of spectroscopy methods and opening a wide range of research opportunities and challenges. For the purpose of combining these techniques an atomic force microscope was developed. The atomic force microscope (AFM) was developed around a quartz tuning fork crystal which was used as the sensor with which atomic forces are detected. The developed AFM was then used in several beam lines with essentially two different purposes. A first goal was to do spectroscopy, such as the measurement of an absorption edge, locally with the tip of the AFM. Such measurements were indeed done, but the lateral resolution is still dominated by the X-ray beam size rather than by the tip apex shape. The AFM tip was also used to measure Bragg peaks from crystals with sizes on the nanoometer scale. A second goal was to use the AFM as an instrument to mechanical interact with nano-sized systems while the X-ray beam was used to probe changes in the lattice parameter of the studied systems. Thus the AFM tip was used to elastically indent a SiGe crystal while diffraction was simultaneously measured. It was possible to observe shifts of the Bragg peak as a consequence of the applied pressure. The in-situ combination of AFM with synchrotron light permitted, in this way, to measure the Young modulus of a crystal at the nanoscale without any kind of adjustable parameter.

Cette thèse a comme objectif principal la combinaison en temps réel et in-situ de deux types de spectroscopies différentes: la microscopie en champ proche et la spectroscopie avec la lumière de synchrotron. Donc cette thèse a pour but l'introduction de nouvelles techniques expérimentales qui permettent d'explorer les propriétés des matériaux à l'échelle nanométrique. Ces nouveaux instruments sont sensés permettre d'obtenir à la fois une image topographique et un contraste chimique avec une résolution latérale de 10-40 nm. Ceci repousserait les limites de chacune de ces deux familles de spectroscopies et ouvrirait la porte à de nouvelles opportunités de recherche et de défis. Pour réussir cette combinaison in situ et en temps réel, un microscope à force atomique (AFM) a spécialement été construit. Ce microscope a été développé autour d'un diapason à cristal de quartz qui était le capteur de force avec lequel des forces à l'échelle manométrique ont été mesurées. Le microscope développé ici a été utilisé dans différentes lignes de lumières au synchrotron (ESRF) avec deux objectifs essentiellement différents. Un premier objectif était de faire de la spectroscopie, comme la mesure d'un seuil d'absorption, localement au moyen de la pointe de l'AFM. Ce type de mesures a effectivement été fait, mais la résolution latérale obtenue n'était pas donnée par la géométrie de la pointe mais par la taille du faisceau X. La pointe de l'AFM a également été utilisée pour mesurer la diffraction de Bragg dans des cristaux de tailles inférieures au micromètre. Un deuxième objectif a été d'utiliser la pointe de l'AFM pour interagir mécaniquement avec des systèmes à l'échelle nanométrique et simultanément utiliser un faisceau X pour mesurer des changements du paramètre de mailles dans les systèmes en question. Ainsi, la pointe de l'AFM a été utilisée pour déformer élastiquement un cristal de SiGe pendant que le signal de diffraction été mesuré. Ceci a permis d'observer des décalages des pics de Bragg en fonction de la pression appliquée par la pointe. La combinaison in-situ de microscopie atomique avec la diffraction a, cette fois ici, permis d'obtenir le module d'Young d'un cristal à l'échelle nanométrique sans aucun paramètre ajustable.

Mots clés: Atomic force microscopy; scanning tunneling microscopy; Synchrotron radiation; X-ray absorption spectroscopy

Mots clés: Microscopie à force atomique; microscopie à effet tunnel; Lumières de Synchrotron; nano-structures; XAS; diffraction

Domaines: Physique [physics]

Mario Manuel Silveira Rodrigues. Bringing light into the nanoworld: What can you do with an atomic force microscope on top of your synchrotron radiation sample holder?. Physics [physics]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2009. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00482393⟩