Un microscope à force atomique (AFM) est un microscope extrêmement précis qui image un échantillon en déplaçant rapidement une sonde avec une pointe de taille nanométrique sur sa surface. C’est assez différent d’un microscope optique qui utilise la lumière réfléchie pour imager un échantillon. Une sonde AFM offre un degré de résolution beaucoup plus élevé qu’un microscope optique car la taille de la sonde est beaucoup plus petite que la longueur d’onde la plus fine de la lumière visible. Dans un ultra-vide, un microscope à force atomique peut imager des atomes individuels. Ses capacités de résolution extrêmement élevée ont rendu l’AFM populaire auprès des chercheurs travaillant dans le domaine de la nanotechnologie.
Contrairement au microscope à effet tunnel (STM), qui image indirectement une surface en mesurant le degré d’effet tunnel quantique entre la sonde et l’échantillon, dans un microscope à force atomique, la sonde entre en contact direct avec la surface ou mesure la liaison chimique naissante entre la sonde et l’échantillon. .
L’AFM utilise un porte-à-faux microscopique avec une pointe de sonde dont la taille est mesurée en nanomètres. Un AFM fonctionne dans l’un des deux modes suivants : le mode contact (statique) et le mode dynamique (oscillant). En mode statique, la sonde est maintenue immobile, tandis qu’en mode dynamique elle oscille. Lorsque l’AFM est rapproché ou entre en contact avec la surface, le porte-à-faux dévie. Habituellement, au-dessus du porte-à-faux se trouve un miroir qui réfléchit un laser. Le laser réfléchit sur une photodiode qui mesure précisément sa déviation. Lorsque l’oscillation ou la position de la pointe de l’AFM change, elle est enregistrée dans la photodiode et une image est construite. Parfois, des alternatives plus exotiques sont utilisées, telles que l’interférométrie optique, la détection capacitive ou les pointes de sonde piézorésistives (électromécaniques).
Sous un microscope à force atomique, les atomes individuels ressemblent à des taches floues dans une matrice. Pour fournir ce degré de résolution, il faut un environnement à ultra-vide et un porte-à-faux très rigide, qui l’empêche de coller à la surface à courte distance. L’inconvénient d’un porte-à-faux rigide est qu’il nécessite des capteurs plus précis pour mesurer le degré de déflexion.
Les microscopes à effet tunnel, une autre classe populaire de microscopes de haute précision, ont généralement une meilleure résolution que les AFM, mais l’avantage des AFM est qu’ils peuvent être utilisés dans un environnement ambiant liquide ou gazeux alors qu’un STM doit fonctionner dans un vide poussé. Cela permet l’imagerie d’échantillons humides, en particulier de tissus biologiques. Lorsqu’il est utilisé dans un ultra-vide et avec un porte-à-faux rigide, un microscope à force atomique a une résolution similaire à celle d’un STM.