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28 february 2014 | La Revue POLYTECHNIQUE

Visualisation et quantification de structures dans la plage du nanomètre

Le test d’indentation permet de caractériser les propriétés mécaniques des revêtements souvent ultrafins. Il fournit les grandeurs caractéristiques de dureté ou d’élasticité des revêtements. Cela nécessite une mesure de course précise dans la plage du picomètre et une génération d’efforts jusqu’à quelques micronewtons. Afin de pouvoir mesurer les plus petites structures, il faut positionner les spécimens de façon très précise. En vue d’obtenir plus d’éléments concernant les propriétés du matériau, on peut équiper le système à mesurer «Picodentor HM500» d’un microscope à force atomique (MFA) en option (fig. 1). La table XY programmable, d’une repétabilité inférieur à 0,5 μm, la table d’amortissement actif des vibrations, ainsi que la chambre de mesure fermée offrent d’excellentes conditions pour des mesures MFA supplémentaires.
 

Fig. 1. Système à mesurer «Picodentor HM500» équipé d’un microscope à force atomique.
 

Les microscopes à force atomique regroupent des microscopes disposant d’une pointe de sonde - contrairement à celle des microscopes à lumière polarisée -, qui tâte physiquement la surface de l’échantillon. Ici, le concept utilise un cantilever muni d’une pointe de silicium très fine, afin de mesurer des différences de hauteur.
Le système balaie la surface à mesurer en lignes et acquiert de façon précise la hauteur pour chaque point. La résolution dans le sens XY, dépendant de l’arrondi de la pointe de mesure, est généralement de l’ordre de 10 nm. On peut représenter les données acquises de différentes façons: en plus de la topographie de la surface indiquée par le profil de hauteur, le MFA offre la possibilité de mesurer une série d’autres grandeurs.
 

Fig. 2. Mesure AFM (représentation 3D) d’une indentation suivant un effort maximum de 5 mN (échelle axe Z: 50 nm).

 
Le MFA permet de représenter d’une excellente manière, la mesure précise de la distance grâce à l’axe Z étalonné (avec un bruit de fond <0,05 nm), mais également la phase et surtout les indentations des indenteurs avec des efforts maximums extrêmement faibles. Nous avons effectué des mesures sur une plaque de verre BK7 avec Fmax = 5 mN. L’effort maximum choisi entraîne une profondeur d’indentation rémanente inférieure à 50 nm.
La représentation en 3D permet de visualiser des détails qui ne seraient pas visibles sans le MFA (fig. 2). Dans certains cas, cela permet une évaluation précise des résultats.
 
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