| |
|
Résultat de l’analyse de surface ToF-SIMS/SFM
combinée tridimensionnelle, d'une couche mince de
polymères PCBM/CyI,utilisée dans la division d'Empa
« polymères fonctionnels » pour le
développement de cellules solaires organiques.
|
| |
| Quel est
le point commun entre un manchot et la surface d’une cellule
solaire ? Pas grand-chose, reconnaît Laetitia Bernard,
physicienne à l’Empa. Elle a toutefois dû sourire
lorsque, travaillant sur une couche mince de polymères
conçue pour le développement de cellules solaires
organiques, elle a vu apparaître les contours d’un
manchot. Un petit détail dans le monde complexe de la
microscopie de haut vol. Le NanoChemiscope 3D
développé à Empa permet pour la
première fois d’investiguer localement à la fois
les propriétés physiques et chimiques, et ainsi de
déterminer la nature exacte et la localisation en 3D des
composés chimiques d’un échantillon. De plus, il
est aussi possible de déterminer simultanément
diverses propriétés mécaniques telles que la
dureté, l’élasticité ou le coefficient de
friction, et de les corréler avec l’information
chimique. Dans l’exemple du «manchot», cela
signifie que le NanoChemiscope 3D permet d’imager non
seulement les contours du «manchot», mais
d’identifier également les polymères qui forment
son « bec », son « œil » et ses
« alentours». Grâce à cette nouvelle
technique d’analyse, les chercheurs dans le domaine des
cellules solaires peuvent contrôler efficacement les
mécanismes régissant la formation des couches minces
polymériques et adapter leur procédure de fabrication
selon le résultat désiré. |
| |
|
| |
|
|
|
Quelques-unes des nombreuses images provenant de
l’analyse du NanoChemiscope 3D.
Avec le SFM, la surface est reproduite topographiquement (l'image
de gauche montre une zonede 12µm x 12µm. Les
différences de hauteurs visibles dans l'image sont de 100
à 200nm).
Avec le TOF-SIMS, il est possible localiser les deux
différents polymères constituant la couche mince (les
images du centre et de droite montrent la distribution des ions C-+
C2- et CN-+I- respectivement).
|
| |
|
| |
Microscope à force atomique et spectromètre
de masse de haut vol
La technique d’analyse offerte par le NanoChemiscope
3D n’est autre que la réunion de deux technologies
établies, mais jusqu’à présent
indépendantes. Le microscope à force atomique (SFM,
de l’anglais « scanning force microscope ») scanne
la surface avec une pointe ultrafine, tandis que le
spectromètre de masse à ions secondaires (ToF-SIMS,
de l’anglais « time-of-flight secondary ion mass
spectrometry ») détermine la composition chimique de
la première couche moléculaire de la surface de
l’échantillon au moyen d’un « bombardement
» d’ions sur la surface. |
| |
|
Jusqu’ici, lorsque l’on souhaitait examiner des surfaces
pour déterminer leurs propriétés tant
chimiques que physiques, l’échantillon devait
être analysé dans deux appareils différents. En
raison du transport d’un instrument à l’autre, on
encourait le risque de contaminer ou d’oxyder
l’échantillon. En outre, sachant que les zones
d’investigations sont généralement de
l’ordre de quelques micromètres, il était
quasiment impossible de retrouver exactement l’endroit
examiné d’un instrument à l’autre.
Qu’y avait-il alors de plus logique que de «
réunir » les deux appareils dans une unique chambre
à haut vide? Jusqu’à présent, les
physiciens et les ingénieurs se heurtaient aux limites
inhérentes à chacune de ces deux technologies. Dans
le cadre d’un projet de 4 ans soutenu par l’Union
Européenne, Laetitia Bernard, directrice du projet, a
développé un nouvel appareil dans lequel un SFM et un
ToF-SIMS sont disposés aussi près que possible
l’un de l’autre et reliés par un système de
déplacement sophistiqué dans une chambre à
ultra haut vide. Suite à un travail minutieux mené en
collaboration avec des chercheurs de l’Empa et des partenaires
universitaires et industriels de plusieurs pays Européens,
le NanoChemiscope 3D a pu voir le jour. |
| |
|
| |
|
|
|
Sasa
Vranjkovic, ingénieur spécialisé
en SFM, et Laetitia
Bernard, directrice du projet NanoChemiscope 3D,
discutent du design du système de
déplacement.
|
| |
|
| |
| Outre
les développements liés au SFM et au ToF-SIMS
eux-mêmes en vue de performances accrues, les experts de
l’Empa ont particulièrement mis l’accent sur le
développement du système de déplacement
piezo-motorisé de l’échantillon. En effet,
celui-ci est vital pour « passer » du ToF-SIMS au SFM
et vice versa, avec rapidité et pour une précision de
l’ordre de la centaine de nanomètres. Ceci est
effectué au moyen de platines combinées sur 5 axes,
qui « glissent » sous l’action de
piézomoteurs sur des rails comportant un revêtement de
carbone semblable au diamant (DLC). Ainsi, l’endroit à
examiner peut être analysé dans les positions les plus
diverses. |
| |
|
Après sa finalisation, le prototype – un géant
d’aluminium d’un mètre de longueur, de 70
centimètres de largeur et d’une hauteur de 1
mètre 70 – est actuellement en fonctionnement chez le
partenaire du projet ION-TOF GmbH à Münster en
Allemagne, et est utilisé par des clients industriels et des
partenaires de recherche. La construction d’instruments
commerciaux est prévue, vu l’intérêt
suscité dans la communauté scientifique, où
l’on est disposé à payer pour cela un montant
à 7 chiffres. |
| |
| |
