La Plateforme NanoMonde : une porte d'entrée privilégiée ... - CNRS

La Plateforme NanoMonde : une porte d’entrée
privilégiée dans le monde à l’échelle nanométrique ?
F. Marchi, J. Chevrier, L. Montes, S. Cornu, Ch. Schaeffer,
S. Marlière, D. Urma
Plateforme d’enseignement expérimentale commune aux universités
UJF et INP Grenoble
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Qu’est que le nanoMonde ?
C’est une sous-partie de notre monde macro-métrique. Le nanoMonde se
compose d’objets dont au moins une de leurs dimensions est inférieure à
quelques centaines de nanomètres. Le n-Monde est gouverné par des
phénomènes physique chimique et biologique, dont les effets sont négligeables
à l’échelle humaine, l’action de la gravité ne domine plus les comportements,
les propriétés de surface l’emportent sur celles du volume.
virus protéines
Spécificités du nanomonde:
* discontinuité de la matière
* Forces de friction et d’adhésion dominantes
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Comment mettre les mains, nos yeux, nos sens dans le nanomonde
afin de le mettre à notre portée pour mieux le comprendre ?
10 -9 m
Quelles techniques expérimentales légères pour explorer en TP
dans l’espace direct, le nanomonde ?
Quels outils légers utilisables en TP pour manipuler
directement dans le nanomonde ?
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Par technique classique : microscope optique
Mouvement
frénétique
et chaotique:
µm
Grain de pollen
dans l’eau
Observation visuelle
du mouvement éternel et incessant du grain de pollen
Jean Perrin en 1900 environ: les atomes existent!!!
MAIS….
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Pas de perception directe des atomes

Perception directe des atomes : Les microscopies à sondes locales
Principe : Une pointe très fine, idéalement terminée par un atome
s’approche très près de la surface pour interagir et la cartographier.
STM (microscope à effet tunnel): mesure du
courant tunnel entre la pointe et la surface
I t ~V i * exp(-d)
d~1nm
V
i
Tube piézoélectrique
Mouvements nm en X,Y,Z
Image STM à courant constant de
la surface Ni(111)
Taille de l'image: 2,3 nm x 2,3 nm
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Est ce compliqué de fabriquer une pointe STM ?
Est ce compliqué de préparer une surface sur laquelle on pourra
visualiser les atomes ?
250µm
Zoom sur la
pointe STM
faite en Pt/Ir
Préparation d’une surface de
graphite…à l’aide d’un bout
de ruban adhésif !
Image microscope optique de
la surface de graphite
0.6cm
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Le microscope STM : est il lourd, grand, fragile ??
Boîtier électronique
Tête du STM
PC de
commande
Vue de haut de la tête
20 cm
Microscope fabriqué par la compagnie suisse NanoSurf
Prix estimé: environ 5000 Euros (HT), PC portable compris
Quelles images et
caractérisations
obtient on ?
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Image à l’air du graphite clivé de
l’échelle sub-micrométrique….
…… à la résolution atomique
…en passant par la spectroscopie
I T = f(V) et/ou I T = f(d P/S )
Programme TP de 4h
niveau M1/M2
Et pour les matériaux
isolants ?
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Microscopie à Force Atomique (AFM) : mesure de force
F P/S ~1/d n (nN)
2< n

Plateforme Nanomonde :
plateforme expérimentale d’enseignement des nanosciences
• Inaugurée en janvier 2004 au CIME
• En 2 ans : 400 étudiants de niveau Licence 3, Master et Doctorat ont été accueillis :
ESONN, L3 de l’ENSPG, Master 1 et 2 de l’UJF et de l’INP Grenoble
• Actions grand public : 10 jours au CCSTI Grenoble (avril 2005) + 2 jours lors de
Physique en fête au CNRS (octobre 2005)
Porte d’entrée 2
Porte d’entrée 1
Poste
enseignant
Domaine packaging pour TP micro
Vers salle biopuce
Armoire
matos SPM
Table rédaction
Poste 1
2 ecrans
et
claviers
Tête
AFM
Table rédaction
Poste 2
1écran et
claviers
Tête
STM
Table rédaction
Poste 3
2ème AFM
(mode contact)
Chimie
9m
12m
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Matériel et spécificités
• AFM Dimension 3000 de chez Veeco:
mode contact et dynamique, mode
électrique et magnétique, lithographie
poste de travail 1
• AFM Veeco basique (contact) prêté par
l’ENSPG (INP Grenoble) depuis 09/05
• STM Nanosurf (~15kE) : imagerie
topographique jusqu’à la résolution
atomique sur HOPG
poste de travail 2
• Profilomètre/Vibromètre optique (Fogal)
(~30kE) poste en préparation
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….Les étudiants en action…
Etudiants de master 1 de physique,
option nano-physique • Visualisation d’une surface de
TP AFM (4h)
graphite (HOPG) de l’échelle
sub-micronique à l’échelle
atomique
• Spectroscopie tunnel
TP STM (4h)
• Prise en main du microscope :
imagerie de nano-plots de Ge
auto-assemblés
• Courbe de force polarisée :
interaction à longue distance
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Atelier NanoMonde
Semaine de la physique dans le
cadre de l’AMP
Projet réalisé par les
étudiants de L3 de l’ENSPG
assistés par des doctorants
Public : des collégiens
aux retraités!
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Par AFM
STM et AFM sont aussi des nano-outils….
Nano-manipulation
Par STM
500nm
Nano-écriture/nano-chimie
Nano-oxydation par
AFM sur Silicium
Fe/Cu(111) M.F. Crommie, C.P. Lutz, D.M. Eigler,
Science 262 (1993) 218 IBM Yorktown Heigths
Manipulation impossible à faire avec
les interfaces classiques lors d’un TP
ou d’une démonstration….
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Alors comment faire ???
….Grâce à la réalité virtuelle associée à une interface multisensorielle
: Le Nano-manipulateur à retour d’effort utilisé comme
nano-jeu éducatif interactif !!
Un calculateur/simulateur aide à l’élaboration d’une
nanoscène virtuelle à basse de masse
(atome/molécule),
Ressort et butée pour liaisons entre atomes
X, Y, Z
Ressort et butée pour interaction de Van der Waals
(linéarisation)
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X, Y, Z
Simulateur de
nano-scènes
virtuelles
Retour
sonore
1 2 3
TP de 4h, 3 étudiants, total : ~100 étudiants
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CONCLUSIONS
• Le nanomanipulateur à retour d’effort est très bien adapté pour :
* Compréhension plus intuitive et rapide des phénomène physique
à l’échelle nano pour les étudiants de niveau L1 à M1/M2
• Par contre pas adapté en l’état aux étudiants de niveau doctoral et postdoc.
La plateforme NanoMonde : concept souple, portable,
(relativement peu coûteux) pour expérimenter le nanomonde
du collège à l’université
Une approche à développer pour l’accès expérimental à
tous du nanomonde/nanotechnologies ?
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Travaux et publications
2 liens internet:
Groupe de recherche picoNewton, laboratoire LEPES:
http://lepes.grenoble.cnrs.fr/piconewton/
Poly de TP, cours AFM/STM
Laboratoire réalité virtuelle et interface haptique, ICA,
groupe NanoMan:
http://lepes.grenoble.cnrs.fr/piconewton/
Publications sur le nanomanipulateur à retour d’effort
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TP AFM, cours d’introduction (2h)
De la prise en main du microscope et de ses
réglages afin de scanner des nanoplots de
Ge déposés sur Silicium……..
à
… la caractérisation de l’interaction
pointe/surface par spectroscopie de
force
Courbe de force non polarisée: forces à
courte distance
F
(nN)
Courbe de force polarisée :
force à longue distance
d P/S
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