MFM-2016

## Problème original posé en Septembre 2016

Pour imager de petits objets, la microscopie optique ne suffit plus et de nouvelles techniques à base de pointes ont été développées (microscopie à effet tunnel STM, microscopie à force atomique AFM, à force magnétique MFM). Ces techniques permettent d'atteindre l'échelle du nanomètre, voire de visualiser directement les atomes pour le STM.

Pour ce projet, on voudrait une maquette de MFM à une échelle adaptée pour une présentation grand-public (style science en fêtes) c'est à dire pas de distance inférieure à quelques mm pour bien voir. Par contre, ce doit bien être la force magnétique qui est utilisée pour faire l'image.

Proposition : On peut imaginer un aimant au bout d'un bras de levier (règle ?). Ce bras de levier doit pouvoir se déformer sous l'effet de la force magnétique (déformation statique ou vibration changeante).
L'objet à imager pourrait être quelque chose de plat avec des aimants cachés dessous (petits, grands, pièces métalliques, clous ...). L'objet se déplace selon un axe sous la pointe et on visualise le déplacement de la pointe (attractif ou répulsif). Si le bras de levier vibre comment entretenir la vibration (courant ac + haut parleur, moteur vibrant ...) Comment détecter la déformation du bras (lumière réfléchie sur le dos du bras de levier et observation de la positon du faisceau réfléchi ?). Pour un vrai MFM, la mesure la plus précise est faite en faisant vibrer la pointe. Comment détecter ?

Modèle rudimentaire à échelle 30 cm [1]

Sur la vidéo, la force est bien illustrée mais il manque un système de détection de la force. C'est la version statique qui est illustrée. Une version vibrante a été imaginée par un groupe aux olympiades de physique.

Lien Fichier:AFM MFM.pdf

## Principes Physiques. Mots clé à regarder

**FONCTIONNEMENT DU MFM :**

Le MFM étudie les interactions magnétiques de l'échantillon étudié.

En effet, le MFM possède une poutre plus ou moins souple sur laquelle est fixée une pointe qui est à l'échelle de l'échantillon. Cette pointe définit le type de force auquel le microscope est sensible. Pour le MFM c'est donc une pointe magnétique. Sous l'effet des interactions entre la pointe et l'échantillon, la poutre va se déformer. C'est pourquoi un laser va être réfléchi sur un miroir placé au bout de la poutre et ce rayon réfléchi va être aligné sur une photodiode qui va alors analyser les variations de positions du laser et permettre de transcrire un signal. Ce signal est ensuite analysé et transformé en image à l'aide d'un ARDUINO.

**-Microscope à force atomique et magnétique :**

Le principe du MFM est une sonde locale, appelée pointe, qui permet de traduire le relief atomique en surface d'un objet. Les objectifs sont nombreux : analyser des objets en milieu sous vide, liquide...La précision peut varier de quelques nanomètres à quelques micromètres. Le mode de fonctionnement est simple : une pointe très fine passe au dessus de toutes les zones de l'échantillon à analyser et grâce aux interactions de la pointe avec l'échantillon, les variations de positions sont analysées et retranscrites pour former une image de la surface analysée.

La différence entre ces deux types de microscopes est uniquement le matériau utilisé pour la pointe. Elle est magnétique pour le MFM et en diamant par exemple pour l'AFM. Le MFM analyse donc des interactions magnétiques tandis que l'AFM analyse les interactions de Van Der Waals.

**-Phénomène de résonance :**

C'est l'excitation d'un système oscillant à une fréquence *ω* proche de l'une de ses fréquences propres *ω*0 qui provoque une réponse de très forte amplitude.

**-Fréquence de résonance :**

Entrer en résonance : être le siège d'oscillations amorties. L'énergie potentielle se transforme en énergie cinétique et l'énergie cinétique se transforme en énergie potentielle de façon continue. C'est l'accumulation de l'énergie en phase de l'objet étudié lorsque l'EP et l'EC sont maximales.

**-Photodiode biquadrant :**

C'est un capteur de signal lumineux du domaine optique du visible qui transforme ce signal lumineux en signal électrique.

## Tests - mesures

Caractéristiques des composants (graphes)

## Bilan chronologiques

**BILAN DU 6 SEPTEMBRE AU 18 OCTOBRE 2016**

Voici le bilan de nos recherches depuis notre première rencontre :

Nous avons commencé tout d'abord par une étude théorique des phénomènes observés lors du fonctionnement du MFM. C'est à dire le magnétisme, la résonance, etc.

Puis, nous avons fait quelques mesures sur les aimants que vous nous aviez donné : une mesure de la force d'intensité du champ magnétique de chaque aimant avec un Gaussmètre.

Nous avons réalisé un prototype très rustique du microscope qui modélise le principe du mode non contact : Nous avons placé au bout d'une poutre en PVC un aimant en répulsion avec les differents échantillons magnétiques placés sur une planche en bois. Nous avons observé une variation de la hauteur de la poutre ( due aux forces magnétiques entre la pointe et l’échantillon ). Nous avons fixé un miroir au dessus du bout de la poutre et grâce à un laser, nous pouvons observer les variations du rayon réfléchi sur une feuille de papier millimétré accrochée au mur.

Objectifs :
\_Recherche d'une modélisation plus poussée

\_Recherche d'une solution pour faire vibrer la poutre et ainsi, faire une modélisation en mode tapping.

B**ILAN DU 8 NOVEMBRE AU 13 DÉCEMBRE 2016**

Bonjour,

Vis à vis de l'ancien bilan, nous avons trouvé une solution pour faire vibrer la poutre continuellement, avec une bobine, comme vous avez pu le constater. Nous avons donc, par la suite, vérifié le caractère sinusoïdale du signal pour tenter de comprendre le phénomène de " fréquence dans la fréquence ". Après avoir changé de GBF pour un plus performant, nous avons mesuré le champ magnétique crée par la bobine de 1000 spires: il est sinusoïdale. Théoriquement

, nous ne devrions plus avoir de phénomène de battements.

Nous avons aussi changé notre miroir, pour cela, nous avons démonté un disque dur et pris le disque lui-même, qui nous sert donc de miroir. Nous ne constatons

plus de double réflexion, cependant, le composant n'est pas de la bonne forme (circulaire percé au centre), il nous serait donc utile que vous puissiez nous ramener un miroir léger et assez long, puisque découper le notre risquerait de l'endommager.

Pour ce qui concerne la poutre, nous avons en effet choisi de prendre une poutre plus petite, cela nous permet d'avoir une amplitude moins importante, donc potentiellement exploitable par un capteur.

De plus, nous sommes actuellement en train d'essayer de remplacer le laser par une diode laser, pour ensuite mesurer l'amplitude (devenu plus petite avec une plus petite poutre) avec un capteur. Cependant, nous avons rencontré quelques difficultés quant au montage de celle-ci. Nous avons déjà une photodiode biquadrant ( voir photo), cela convient-il ?.

Enfin serait-il aussi possible d'avoir plus d'aimants ? Nous aurions besoin de quelques aimants cubiques en plus (pas trop petit), de ceux ressemblant à des petits cylindres, et potentiellement un autre types d' aimants plus ou moins puissants pour effectuer des mesures différentes avec toutes sortes d'aimants.

*Résumé du matériel demandé:*

* Miroir ( plus léger et assez long )

* Aimants

    **BILAN DU 3 JANVIER AU 14 FÉVRIER 2017**

Bonjour,

nous allons résumer les avancements à ce jour.

Tout d'abord, avec le raccourcissement de la poutre nous n'avons finalement plus ce phénomène de battements.

Nous avons construit un circuit électronique pour mettre en fonctionnement une photodiode à l'aide de plusieurs conducteurs ohmiques , un amplificateur opérationnel, une diode ainsi qu'un GBF. Nous avons branché un oscilloscope pour visualiser le signal. Ci-dessous, vous pouvez observer une photo de notre circuit. Ce circuit n'est pas encore tout à fait au point, c'est pourquoi un de nos objectifs et de comprendre pourquoi et comment celui-ci fonctionne (car c'est un des préparateurs de l'école qui nous a aidé à le construire).

La séance du mardi 24 janvier fut consacrée à la revue de projet. D'après vos conseils, nous pouvons en retenir que nous devons diminuer l'aspect dangereux du laser en public, en régulant la puissance lumineuse qu'émet votre pointeur laser.

Par la suite, nous avons construit la poutre définitive. Nous avons collé le miroir que vous nous avez prêté et construit une nouvelle pointe avec les petits aimants cubiques.

Actuellement, nous sommes en train de réaliser plusieurs tâches:

-Calcul de la fréquence de résonance de la poutre définitive avec le miroir que vous nous avez donné.

    -Comprendre le montage de la photodiode.

Après cela, les objectifs futurs sont:

-Exploiter le signal avec Arduino.

-Réguler la puissance du pointeur laser.

    -Améliorer l’esthétique de la maquette.

Pour la présentation à l'institut, nous avons besoin avec certitude de:

- Deux potences avec des attaches pour accrocher le laser, la poutre ainsi que la photodiode

-Une bobine de 1000 spires (diamètre 0.8 mm , intensité max : 2.5 A, R= 8075 ohms)

-Le cœur de la bobine

-GBF : GX 245 métrix

En fonction de notre avancement, il nous faudra, potentiellement, un ARDUINO, un oscilloscope, un écran ou un ordinateur qui permette au public de visualiser les variations d'amplitudes en fonction des échantillons magnétiques.

BILAN DU 12 AVRIL 2017

-Avez-vous pu réaliser le vibreur pour exciter la poutre à l'aide de la bobine ? Quel est le champ ou courant nécessaire ?

Nous avons mis en place la nouvelle bobine (solénoïde) à l'aide d'un amplificateur de courant (gain de 10) et d'un rhéostat (plus ou moins 50 ohms environ : à définir après test avec les aimants). On envisage de bobiner plus de tours sur le solénoïde pour obtenir une plus grande amplitude visible.

-Quelle doit être la distance ferrite-aimant ?

Nous ne l'avons pas encore définie exactement mais elle sera comprise entre 1 et 2 centimètres.

-Avez-vous mis en route la photodiode amplifiée?

Nous nous occuperons de la photodiode durant la prochaine séance.

* Informations supplémentaires : Nous avons modifié le laser; Il fonctionne désormais grâce à un générateur. Nous n'avons plus besoin de piles.     Concernant la maquette en bois qui nous permettrait de conserver certains paramètres , nous attendons de finir le circuit de la photodiode et de préparer l'emplacement de la nouvelle bobine.    De plus, nous avons fait un encadrement de la fréquence, voici l'amplitude du segment en fonction de la fréquence.

**BILAN DU 7 MARS AU 2 JUIN 2017**

Bonjour,

voici un bilan de nos avancées depuis la dernière mise à jour.

Nous avons fait une série de mesures en mode tapping de plusieurs aimants différents. Nous avons analysé l'amplitude du segment créé par le laser en fonction de l'intensité du champ magnétique des différents aimants analysés.

Ensuite, nous avons arrêté d'utiliser la bobine de type solénoïde et nous continuons dorénavant avec un électro-aimant qui fait office de bobine. Nous l'avons placé à quelques millimètres la poutre pour une plus forte amplitude.

Le menuisier est d'ores et déjà au travail pour une maquette de notre expérience. Il aura terminé dans peu de temps, nous pourrons ainsi refaire quelques séries de mesures avec la maquette finale.

Nous avons de plus commencé à utiliser la photodiode. Avec un circuit possédant un générateur, une résistance et la photodiode en série ainsi qu'un oscilloscope en dérivation aux bornes de la résistance nous avons pu observer le temps de passage du laser sur la photodiode. Ainsi, nous avons fait trois séries de mesures identiques : l'amplitude du segment créé par le laser en fonction du temps de passage du laser sur la photodiode. Les trois courbes tracées suivent la même tendance, elles sont décroissantes (à une valeur prêt qui correspond au cylindre percé qui n'a pas les mêmes lignes de champs que les autres aimants). Cette tendance est logique : plus l'aimant est puissant, plus l'amplitude diminue et donc plus le temps de passage sur la photodiode augmente et inversement.

L'idéal aurait été des aimants de différentes forces mais de formes identiques.