Technologies microsystèmes avancées pour le fonctionnement de dispositifs en milieu liquide et les applications nanométriques

Ce travail s'inscrit dans le cadre du developpement de sondes actives destinees a ameliorer les performances des microscopes a force atomique (AFM) en vue de caracteriser des objets nanometriques en milieu liquide avec une grande resolution spatiale et temporelle. Il s'agit d'un enjeu d'actualite qui mobilise la communaute scientifique tant au niveau de la physique encore souvent mal comprise que de l'instrument lui-meme dont la sonde microsysteme va fournir des performances accrues. L'architecture de ce nouveau capteur AFM va etre identique aux sondes de type poutre encastree-libre classiquement utilisees en AFM sous vide ou dans l'air. L'innovation reside dans l'integration d'un actionnement propre directement sur le capteur, pour diminuer la quantite de fluide deplace par rapport a un actionnement deporte d'une sonde classique, et d'une pointe effilee par un nanotube de carbone, pour atteindre une resolution laterale inferieure au nm. La recherche de la comprehension des phenomenes physiques entrant en jeu a conduit a une modelisation analytique complete du comportement dynamique du levier en milieu liquide. Cette modelisation, integrant les phenomenes de dissipation intrinseque a la structure et ceux dus au milieu liquide, permet d'optimiser les parametres geometriques du capteur conduisant aux meilleures performances en terme de frequence de resonance (>MHz) et de coefficient de qualite (>10). Des leviers aux dimensions optimales pour un actionnement en milieu liquide ont ainsi ete fabriques par technique de micro-usinage de surface et de volume. Deux voies technologiques ont ete envisagees : l'actionnement electrostatique et l'actionnement piezoelectrique qui, au vue de l'etude bibliographique, sont les deux principes d'actionnement les plus adaptes a la detection de force en milieu liquide. La resolution laterale nanometrique a ete obtenue en integrant a l'extremite du levier une pointe a apex tres effilee. Une premiere methode a consiste a utiliser la croissance localisee d'un unique nanotube de carbone dans le prolongement de la pointe. Cette etape a ete rendue possible par une collaboration intensive avec le LEPES et plus particulierement avec Anne-Marie Bonnot ou une statistique de greffage de nanotubes de carbone a ete realisee sur des champs de pointe a geometrie variable pour controler, entre autre, la longueur des tubes obtenus a l'apex des pointes en silicium. Le procede de depot des nanotubes de carbone etant realise a haute temperature (>800°C), il n'est donc compatible qu'avec une technologie de fabrication haute temperautre comme c'est le cas de l'actionnement electrostatique (1100°C). Une autre methode est donc utilisee pour effiler les pointes en silicium des leviers piezoelectriques a technologie froide ( Ainsi les leviers actifs ont pu etre caracterises dans l'air et dans l'eau par vibrometrie laser puis par AFM, les leviers comportant un support aux dimensions entierement compatibles avec les AFM commerciaux. Les effets d'electrolyse et d'ecrantage du potentiel des electrodes, inherents au milieu liquide d'actionnement, ont ete d'autre part etudies. Cette etude pluridisciplinaire en collaboration avec le LEPES (nanotube de carbone) et le CPMOH (caracterisations AFM des pointes a nanotubes) a permis de fabriquer une nouvelle generation de sondes actives AFM adaptees au milieu liquide.