EP4288786A1 - Transducteur optomécanique - Google Patents
Transducteur optomécaniqueInfo
- Publication number
- EP4288786A1 EP4288786A1 EP22704868.3A EP22704868A EP4288786A1 EP 4288786 A1 EP4288786 A1 EP 4288786A1 EP 22704868 A EP22704868 A EP 22704868A EP 4288786 A1 EP4288786 A1 EP 4288786A1
- Authority
- EP
- European Patent Office
- Prior art keywords
- tuning fork
- transducer
- film
- probe
- photoactive film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
- G01Q10/045—Self-actuating probes, i.e. wherein the actuating means for driving are part of the probe itself, e.g. piezoelectric means on a cantilever probe
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09J—ADHESIVES; NON-MECHANICAL ASPECTS OF ADHESIVE PROCESSES IN GENERAL; ADHESIVE PROCESSES NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE; USE OF MATERIALS AS ADHESIVES
- C09J4/00—Adhesives based on organic non-macromolecular compounds having at least one polymerisable carbon-to-carbon unsaturated bond ; adhesives, based on monomers of macromolecular compounds of groups C09J183/00 - C09J183/16
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
- G01Q60/32—AC mode
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
- G01Q60/38—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
- G01Q70/08—Probe characteristics
- G01Q70/14—Particular materials
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
- H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
- H03H9/21—Crystal tuning forks
- H03H9/215—Crystal tuning forks consisting of quartz
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H2009/02165—Tuning
Definitions
- the present invention relates to an optomechanical transducer comprising a tuning fork made of piezoelectric material. It also relates to a probe for an atomic force microscope using such a transducer, as well as a frequency modulation atomic force microscope implementing such a probe.
- the field of the invention is, in a non-limiting manner, that of nanometric surface metrology.
- Atomic force microscopes (AFM for atomic force microscope ) are known which are used to produce sample surface topographies.
- An example is frequency-modulated AFM (AFM-FM) for non-contact sample surface mapping using a single system to generate the vibration frequency of the AFM probe and detect its modulation. induced by the studied surface.
- An AFM-FM is particularly suitable for soft or sticky samples, as there is no risk of the probe tip sticking to their surface or breaking off.
- the object of the present invention is to have an optomechanical transducer, in particular usable in an AFM-FM, making it possible to remedy at least one of the drawbacks described.
- An object of the present invention is to provide an optomechanical transducer whose mechanical movement can be adjusted precisely.
- Another object of the present invention is to provide an optomechanical transducer that can be implemented in a frequency modulation atomic force microscope.
- Another object of the present invention is to provide a probe for a frequency modulation atomic force microscope, comprising such a transducer and making it possible to improve the resolution of the microscope.
- an optomechanical transducer including:
- the at least one photoactive film comprising photo-switchable molecules, capable of molecular switching between a first molecular configuration and a second molecular configuration in reaction to the absorption of light of a defined wavelength, called photo- isomerization, so that the photoactive film is subjected to a change of shape, inducing a modification of the stiffness coefficient of the tuning fork.
- the transducer according to the invention implements a tuning fork.
- a tuning fork has a resonance vibration frequency characteristic of its geometric and mechanical properties, and in particular its stiffness.
- the resonant frequency can also be changed by external forces.
- the transducer according to the invention makes it possible to control the change in the resonance frequency by modifying the stiffness coefficient of the tuning fork.
- at least one film comprising photo-switchable molecules is partially deposited on the tuning fork, so that the film is partly fixed on the tuning fork, the other part of the film remaining free.
- the photo-switchable molecules are subjected to a structural modification or a change in configuration under the action of photo-isomerization wavelength light, resulting in the deformation of the photoactive film placed on the tuning fork. Indeed, the free part of the film can move under the effect of the photo-isomerization light. Thus, thanks to the part deposited on the tuning fork, the optomechanical movement is totally coupled to the tuning fork. This deformation makes it possible to modify the stiffness coefficient of the tuning fork.
- the variation of the stiffness coefficient leads to the variation of the resonance frequency of the tuning fork, and vice versa.
- the resonance frequency of the tuning fork also varies depending on the intensity of the photoisomerization irradiation. Thus, it is possible to modulate the vibration frequency of the tuning fork precisely in real time according to the desired application of the transducer.
- a tuning fork is an inexpensive component that is easy to manufacture in large numbers.
- the film material comprising photo-switchable molecules can also be easily produced in large quantities in the synthesis laboratory, without the need for special facilities or equipment.
- the at least one photoactive film can be deposited on the tuning fork, for example in the form of ribbons or wires, or for example by di p - coating (deposition by dipping).
- One or more photoactive films can be deposited on the tuning fork. It is thus possible to induce different changes in stiffness, depending on the position of the films on the tuning fork.
- pieces or ribbons of photoactive film have dimensions of the order of a millimeter, for example 1-2 mm in width and 3-4 mm in length.
- Photo-isomerization irradiation or photo-isomerization light may also be referred to as photo-isomerization irradiation or photo-isomerization light, or equivalent, hereinafter.
- optical means that the energy of light radiation, at the wavelength of photoisomerization, is transformed into mechanical energy of each photoactive film, when it deforms.
- the at least one photoactive film comprises at least one self-assembled layer comprising photo-switchable molecules.
- a self-assembled system of molecules is characterized by the fact that the molecules are organized in layers. This self-organization makes it possible to increase the effect of photoisomerization and therefore the degree of deformation of the photoactive film.
- the at least one photoactive film comprises a molecular system based on azobenzenes.
- azobenzenes are molecules whose photoswitching is well controlled.
- photo-switchable molecules can include compounds such as: spiropyran, spiro-oxazine, diarylethenes, etc.
- the molecular system based on azobenzenes can be organized into molecular stacks.
- the change in shape of a photoactive film can result in waving, twisting or bending of the film.
- the at least one photoactive film can be deposited on the tuning fork by means of an adherent material.
- the adherent material ensures the total adhesion of the part of the photoactive film fixed on the tuning fork, the other part of the film remaining free to be able to move under the effect of the photo-isomerization light.
- This adherent material can be, for example, glycerin, or another very viscous adherent material.
- the at least one photoactive film is configured to return to its initial shape in reaction:
- a probe for a frequency modulated atomic force microscope comprising a photomechanical transducer according to the invention, in which one of the arms of the tuning fork is configured to interact with atoms of a surface to be probed.
- the probe according to the present invention can be used to adapt existing AFM-FMs. For this, it suffices to replace the existing probe in the microscope with the probe according to the present invention, for example by depositing pieces or ribbons of a photoactive film on the tip of the existing probe. A light source (and possibly filters) must also be provided to provide the photoisomerization irradiation. This would notably allow these AFM-FMs to measure liquid samples.
- the stiffening of the tuning fork following the change in its stiffness coefficient makes it possible to bring the probe closer to the surface of the sample to be measured and therefore to probe objects of smaller dimension or exerting more intense probe-surface interaction forces.
- the resolution of an AFM-FM can therefore be increased with such a probe.
- the probe further comprises a nanometric tip attached to the end of one of the arms of the transducer tuning fork, configured to interact with atoms of a surface to be probed.
- the end of one arm of the tuning fork can serve as a "tip" to interact with atoms on a surface to be probed.
- the resonance frequency of the tuning fork varies according to the intensity of the photoisomerization irradiation.
- any type of sample can be subjected to the topographic study without changing the tip.
- This notably allows topographical analyzes on samples composed of liquid and solid, for example biological or dynamic systems, for which the resonance frequency can then be adapted in real time.
- the probe according to the present invention can be miniaturized, in particular by manufacturing nano- or microfibers of the photoactive material deposited on the tuning fork.
- a frequency modulated atomic force microscope comprising a probe according to the present invention, the transducer being attached to one end of a lever.
- Such a frequency modulation atomic force microscope according to the invention can be implemented in a multitude of surface metrology applications.
- Heterogeneous samples having liquid and solid portions can be measured with the same probe. This is particularly important for the observation of suspended materials or biological systems contaminated or polluted by particles.
- the amplitude of the tip stiffness coefficient can be modulated.
- the rate of reflection or transmission of light by the surface of the sample can be used to discriminate the materials of the surface, and thus modulate the stiffness coefficient of the tip according to the materials. .
- the implementation of the transducer according to the present invention in an AFM allows the realization, in reflection mode, of a mapping of the surface of a sample while discriminating the different types of constituents of a mixture according to their refractive index.
- this discrimination is made according to the hardness of the constituent.
- the different constituents can be differentiated if they have the same hardness, allowing the improvement of the study of compounds in solution, as in biology.
- the transducer 1, as shown in the (a), comprises a tuning fork 2 made of piezoelectric material. On one of the two arms 3a, 3b of the tuning fork 2 is deposited a photoactive film. A part 4a of the film is fixed on the arm 3a of the tuning fork 2, and the other part 4b of the film 4 remains free.
- the transducer 1 is shown with a base 20.
- the tuning fork 2 is preferably made of quartz.
- the photoactive film 4 comprises photo-switchable molecules. Such molecules are capable of effecting molecular switching between a first molecular configuration and a second molecular configuration in response to the absorption of light of a defined wavelength, known as photo-isomerization.
- the second molecular configuration leads to a change in the shape of the film 4.
- the photoactive film 4 is deposited only on a distal part of one of the arms 3a of the tuning fork 2.
- the film 4 can be deposited closer to the base of the tuning fork 2, or the two arms 3a, 3b can be provided with a film 4.
- the geometry of the film 4 (length, width) is also variable.
- the film 4 is deposited on the tuning fork 2 by means of an adhesive material.
- This adhesive material is soft and viscous type. It may in particular comprise glycerine.
- the photo-switchable molecules comprise units with azobenzenes.
- the photoactive film can, for example, be made of a hybrid material based on azobenzene alkoxysilanes.
- the molecules are represented in the two configurations E and Z. The synthesis of the molecules and the preparation of such a material are described, for example, in the documents S. Guo et al., RSC Adv., 2014, 4, 25319; S. Guo et al., J. Mater. Chem. C, 2013, 1, 6989; and S. Guo et al., J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 15434.
- Switching between the E molecular configuration and the Z molecular configuration is induced by illuminating the molecules with radiation at a photoisomerization wavelength. In the case shown in the , this wavelength is 345 nm.
- the azobenzene-based molecular system occurs in self-assembled layers. This self-organization of the molecules allows a greater effect of deformation of the film in the presence of the photo-isomerization irradiation.
- An example of self-assembled layers 12 is shown in the (has). In this example, 5 layers are shown.
- a self-organized layer 12 of azobenzene alkoxysilane molecules 1A, 1B is shown in detail.
- the (b) schematically illustrates a photoactive film 4 comprising self-assembled layers of azobenzenes, indicated by a plurality of layers 12. Film 4 is shown without (top) and with (bottom) illumination at the wavelength of photoisomerization.
- the film 4 When the film 4 is illuminated with light at the photoisomerization wavelength (here in the UV range), the film 4 deforms by bending and folding back on itself, under the effect of the molecular switching. Indeed, the change in configuration (E to Z) of the molecules leads to an increase in the free volume occupied by the molecules, which results in an elongation of the layer that they compose. As film 4 adheres to the tuning fork only partially, the free part of film 4 bends. The tuning fork is then subjected to a change in its stiffness coefficient.
- the photoisomerization wavelength here in the UV range
- the film 4 When the photo-isomerization illumination ceases, the film 4 returns to its original shape.
- the film 4 can in particular be exposed to white light. This is illustrated by the arrow h ⁇ in the (b).
- the film 4 can also return to its initial shape under the effect of heat.
- the (a) shows the dependence of the angle of curvature of the photoactive film 4 on the power of the photo-isomerization irradiation.
- An angle of 0° corresponds to a 4 plane film, without any curvature ( (b)).
- Other examples of angles are given by way of illustration.
- a greater curvature of the film 4 leads to a greater increase in the stiffness coefficient of the tuning fork on which the film 4 is deposited.
- the resonance frequency of the tuning fork f 0 depends on its mass m as well as on its stiffness coefficient k according to the following equation:
- This mechanism is particularly beneficial when the transducer according to the invention is implemented in a probe for a frequency modulated atomic force microscope (AFM-FM).
- AFM-FM frequency modulated atomic force microscope
- the tuning fork is then vibrated at its resonant frequency which is controlled.
- forces acting between one end of the tuning fork and the surface change the frequency of vibration of the tuning fork. This frequency shift is used to reconstruct the topography of the surface.
- the stiffness coefficient and, therefore, the resonance frequency of the tuning fork are modified by the photoisomerization of one or more photoactive films present on this one.
- the distance between the tuning fork and the surface to be probed can be reduced.
- the stiffening of the tuning fork allows the transducer to approach closer to the surface to be probed, and to obtain a better resolution to detect smaller structures.
- the tuning fork 2 can be brought closer to the surface 13 of the sample up to a distance d_ DE,1 , and when it is illuminated at the wavelength of photo- isomerization, the tuning fork 2 can be brought closer to the surface 13 of the sample up to a distance d_ DE,2 ⁇ d_ DE,1 .
- the amplitude 15 of the distance Z for the illuminated film is greater than the amplitude 14 of Z for the non-illuminated film. This therefore makes it possible to obtain a measurement of the surface of the sample with greater resolution.
- a probe according to the present invention for an AFM-FM comprises an optomechanical transducer as described above.
- One end of the tuning fork, and in particular at least the end of one of its arms then interacts with atoms of the surface to be probed, as illustrated in the .
- the probe according to the present invention may further comprise a nanometric tip fixed to the end of one of the arms of the tuning fork of the transducer. It is then the nanometric tip that interacts with the atoms of the surface to be probed.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Micromachines (AREA)
Abstract
Description
- La présente invention concerne un transducteur optomécanique comprenant un diapason en matériau piézoélectrique. Elle concerne également une sonde pour microscope à force atomique utilisant un tel transducteur, ainsi qu’un microscope à force atomique à modulation de fréquence mettant en œuvre un telle sonde.
- Le domaine de l'invention est, de manière non limitative, celui de la métrologie nanométrique de surface.
- On connait des microscopes à force atomique (AFM pour atomic force microscope) utilisés pour réaliser des topographies de surfaces d’échantillons. Un exemple est l’AFM à modulation de fréquence (AFM-FM) permettant de cartographier la surface de l’échantillon sans contact en utilisant un seul système pour générer la fréquence de vibration de la sonde de l’AFM et la détection de sa modulation induite par la surface étudiée. Un AFM-FM est particulièrement adapté pour des échantillons mous ou collants, car il n’y a pas de risque que la pointe de la sonde reste accrochée à leur surface ou se casse.
- Dans des domaines tels que la science des matériaux et la biologie, il est primordial de pouvoir caractériser finement la topographie des échantillons. Pour obtenir une bonne résolution avec un AFM-FM, il est nécessaire d’approcher la sonde à l’extrême proximité de la surface. Cependant, en raison de forces s’exerçant entre la surface et la pointe, la fréquence de vibration augmente de manière indésirable, engendrant une diminution de la résolution et l’impossibilité d’observer les détails topographiques d’échantillons.
- Pour pouvoir étudier des échantillons aux propriétés variables (liquide, solide, visqueux, rigide, souple etc.), il est en général nécessaire de changer de pointe. En conséquence, il est impossible de réaliser une analyse topographique avec une résolution élevée et constante sur un échantillon contenant à la fois des phases liquides et solides par exemple, comme il est souvent le cas pour des systèmes biologiques ou des matériaux polyphasés (par exemple, des milieux cellulaires). La modification d’une pointe d’AFM ou AFM-FM pour mesurer ce type d’échantillons hétérogènes et/ou liquides est difficile à mettre en œuvre.
- Il existe des techniques pour contrôler la fréquence de vibration de la sonde d’AFM-FM afin de se rapprocher de la surface à sonder. L’une de ces techniques inclut l’utilisation d’un élément piézoélectrique. Cependant, un équipement supplémentaire, par rapport au système de contrôle de l’AFM-FM, est nécessaire pour commander l’élément piézoélectrique, rendant la fabrication et l’implémentation d’une telle sonde complexes et coûteuses.
- Le but de la présente invention est de disposer d’un transducteur optomécanique, notamment utilisable dans un AFM-FM, permettant de remédier à au moins un des inconvénients décrits.
- Un but de la présente invention est de proposer un transducteur optomécanique dont le mouvement mécanique peut être ajustée de manière précise.
- Un autre but de la présente invention est de proposer un transducteur optomécanique pouvant être mis en œuvre dans un microscope à force atomique à modulation de fréquence.
- Il est encore un but de la présente invention est de proposer une sonde pour un microscope à force atomique à modulation de fréquence, comprenant un tel transducteur et permettant d’améliorer la résolution du microscope.
- Au moins un de ces buts est atteint avec un transducteur optomécanique, comprenant :
-
- un diapason en matériau piézoélectrique comprenant deux bras,
- au moins un film photoactif déposé partiellement sur au moins une partie d’au moins l’un des bras du diapason,
- l’au moins un film photoactif comprenant des molécules photo-commutables, aptes à une commutation moléculaire entre une première configuration moléculaire et une deuxième configuration moléculaire en réaction à l’absorption de lumière d’une longueur d’onde définie, dite de photo-isomérisation, de sorte à ce que le film photoactif soit soumis à un changement de forme, induisant une modification du coefficient de raideur du diapason.
- Le transducteur selon l’invention met en œuvre un diapason. Un diapason a une fréquence de vibration de résonance caractéristique de ses propriétés géométriques et mécaniques, et notamment sa raideur. La fréquence de résonance peut également être modifiée par des forces extérieures.
- Le transducteur selon l’invention permet de maîtriser le changement de la fréquence de résonance en modifiant le coefficient de raideur du diapason. Pour ce faire, au moins un film comprenant des molécules photo-commutables est déposé partiellement sur le diapason, de sorte à ce que le film est fixé en partie sur le diapason, l’autre partie du film restant libre.
- Les molécules photo-commutables sont soumises à une modification structurale ou un changement de configuration sous l’action de lumière de longueur d’onde de photo-isomérisation, se traduisant par la déformation du film photoactif posé sur le diapason. En effet, la partie libre du film peut bouger sous l’effet de la lumière de photo-isomérisation. Ainsi, grâce à la partie déposée sur le diapason, le mouvement optomécanique est totalement couplé au diapason. Cette déformation permet de modifier le coefficient de raideur du diapason.
- La variation du coefficient de raideur entraine la variation de la fréquence de résonance du diapason, et vice versa. La fréquence de résonance du diapason varie également en fonction de l'intensité de l’irradiation de photo-isomérisation. Ainsi, il est possible de moduler la fréquence de vibration du diapason de manière précise en temps réel selon l’application souhaitée du transducteur.
- Un diapason est un composant peu coûteux et facile à fabriquer en grand nombre. Le matériau du film comprenant des molécules photo-commutables peut également être réalisé facilement en grande quantité en laboratoire de synthèse, sans le besoin d’installations ou équipements particuliers.
- L’au moins un film photoactif peut être déposé sur le diapason par exemple sous forme de rubans ou fils, ou par exemple par di p - coating (dépôt par trempage).
- Un ou plusieurs films photoactif peuvent être déposés sur le diapason. Il est ainsi possible d’induire des changements de raideur différents, en fonction de la position des films sur le diapason.
- A titre d’exemple, des morceaux ou rubans de film photoactif ont des dimensions de l’ordre du millimètre, par exemple 1-2 mm en largeur et 3-4 mm en longueur.
- La lumière à la longueur d’onde de photo-isomérisation des molécules photo-commutables peut également être appelée irradiation de photo-isomérisation ou lumière de photo-isomérisation, ou équivalent, par la suite.
- Le terme « optomécanique » signifie que l’énergie de la radiation lumineuse, à la longueur d’onde de photo-isomérisation, est transformée en énergie mécanique de chaque film photoactif, lorsque celui-ci se déforme.
- Selon un mode de réalisation avantageux, l’au moins un film photoactif comprend au moins une couche auto-assemblée comprenant des molécules photo-commutables.
- Un système de molécules auto-assemblé se caractérise par le fait que les molécules sont organisées en couches. Cette auto-organisation permet d’augmenter l’effet de la photo-isomérisation et donc le degré de déformation du film photoactif.
- Selon un exemple de mise en œuvre, l’au moins un film photoactif comprend un système moléculaire à base d’azobenzènes.
- En effet, les azobenzènes sont des molécules dont la photo-commutation est bien maîtrisée.
- Alternativement, les molécules photo-commutables peuvent inclure des composés tels que : spiropyrane, spiro-oxazine, diaryléthènes, etc.
- Avantageusement, le système moléculaire à base d’azobenzènes peut être organisé en empilements moléculaires.
- Le changement de forme d’un film photoactif peut se traduire par une ondulation, une torsion ou une flexion du film.
- Selon un mode de réalisation, l’au moins un film photoactif peut être déposé sur le diapason au moyen d’un matériau adhérent.
- Le matériau adhérent assure l’adhérence totale de la partie du film photoactif fixée sur le diapason, l’autre partie du film restant libre pour pouvoir bouger sous l’effet la lumière de photo-isomérisation.
- Ce matériau adhérent peut être, par exemple, de la glycérine, ou un autre matériau adhérent très visqueux.
- Selon des modes de réalisation, l’au moins un film photoactif est configuré pour reprendre sa forme initiale en réaction :
-
- à l’absence de lumière à la longueur d’onde de photo-isomérisation ;
- à la présence de lumière blanche ; et/ou
- à la présence de chaleur.
- Selon un autre aspect de la même invention, il est proposé une sonde pour un microscope à force atomique à modulation de fréquence, la sonde comprenant un transducteur photomécanique selon l’invention, dans lequel l’un des bras du diapason est configuré pour interagir avec des atomes d’une surface à sonder.
- La sonde selon la présente invention peut être utilisée pour adapter des AFM-FM existants. Pour cela, il suffit de remplacer la sonde existante dans le microscope par la sonde selon la présente invention, par exemple en déposant des morceaux ou rubans d’un film photoactif sur la pointe de la sonde existante. Il faut également prévoir une source de lumière (et éventuellement des filtres) pour fournir l’irradiation de photo-isomérisation. Ceci permettrait notamment à ces AFM-FM de mesurer des échantillons liquides.
- La rigidification du diapason suite au changement de son coefficient de raideur permet de rapprocher la sonde de la surface de l’échantillon à mesurer et donc de sonder des objets de plus faible dimension ou exerçant des forces d’interaction sonde-surface plus intenses. La résolution d’un AFM-FM peut donc être augmentée grâce à une telle sonde.
- Selon un mode de réalisation, la sonde comprend en outre une pointe nanométrique fixée à l’extrémité de l’un des bras du diapason du transducteur, configurée pour interagir avec des atomes d’une surface à sonder.
- Alternativement, l’extrémité d’un des bras du diapason peut servir de « pointe » pour interagir avec des atomes d’une surface à sonder.
- De manière avantageuse, la fréquence de résonance du diapason varie en fonction de l'intensité de l’irradiation de photo-isomérisation. Ainsi, n’importe quel type d’échantillon peut être soumis à l’étude topographique sans changer de pointe. Ceci permet notamment des analyses topographiques sur des échantillons composés de liquide et de solide, par exemple des systèmes biologiques ou dynamiques, pour lesquelles la fréquence de résonance peut alors être adaptée en temps réel.
- Avantageusement, la sonde selon la présente invention peut être miniaturisée, notamment en fabricant des nano- ou microfibres du matériau photoactif déposé sur le diapason.
- Selon encore un autre aspect de la même invention, il est proposé un microscope à force atomique à modulation de fréquence, comprenant une sonde selon la présente invention, le transducteur étant attaché à une extrémité d’un levier.
- Un tel microscope à force atomique à modulation de fréquence selon l’invention peut être mis en œuvre dans une multitude d’applications de métrologie de surfaces.
- Il permet des mesures dans des liquides en adaptant le coefficient de raideur de la sonde aux interfaces liquides-solides sondés en temps réel. Des systèmes biologiques peuvent ainsi être aisément étudiés.
- Des échantillons hétérogènes ayant des portions liquides et solides peuvent être mesurés avec la même sonde. Ceci est notamment important pour l’observation de matériaux en suspension ou des systèmes biologiques contaminés ou pollués par des particules.
- Pour les mesures, l’amplitude du coefficient de raideur de la pointe peut être modulé. Par exemple, en mode non-contact, le taux de réflexion ou de transmission de lumière par la surface de l’échantillon peut être utilisé pour discriminer les matériaux de la surface, et ainsi moduler le coefficient de raideur de la pointe en fonction des matériaux.
- Aussi, la mise en œuvre du transducteur selon la présente invention dans un AFM permet la réalisation, en mode réflexion, d’une cartographie de la surface d’un échantillon tout en discriminant les différents types de constituants d’un mélange en fonction de leur indice de réfraction. Actuellement, cette discrimination se fait en fonction de la dureté du constituant. Ainsi, les différents constituants peuvent être différenciés s’ils ont la même dureté, permettant l’amélioration de l’étude de composés en solution, comme en biologie.
- D’autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l’examen de la description détaillée d’exemples nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :
-
-
la montre une représentation schématique et une photographie d’un exemple de réalisation non-limitatif d’un transducteur selon l’invention ; -
la montre un exemple de molécules d’azobenzène pouvant être synthétisées pour la préparation du film photoactif mise en œuvre dans un mode de réalisation de l’invention ; -
la montre des représentations d’un exemple de couches auto-assemblées de molécules photo-commutables pouvant être mises en œuvre dans un mode de réalisation de l’invention ; -
la représente un exemple de mise en œuvre d’un transducteur selon la présente invention ; et -
la montre un exemple de mise en œuvre d’un transducteur selon un mode de réalisation de l’invention dans une sonde pour un microscope à force atomique. - Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure.
- En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s’oppose à cette combinaison sur le plan technique.
- Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures peuvent conserver la même référence.
- La
montre une représentation schématique (a) ainsi qu’une photographie (b) d’un transducteur photomécanique selon un mode de réalisation de l’invention. - Le transducteur 1, tel que représenté sur la
(a), comprend un diapason 2 en matériau piézoélectrique. Sur l’un des deux bras 3a, 3b du diapason 2 est déposé un film photoactif. Une partie 4a du film est fixé sur le bras 3a du diapason 2, et l’autre partie 4b du film 4 reste libre. - Sur la
(a), le transducteur 1 est représenté avec une embase 20. - Le diapason 2 est, de préférence, en quartz.
- Le film photoactif 4 comprend des molécules photo-commutables. De tels molécules sont aptes à effecteur des commutations moléculaires entre une première configuration moléculaire et une deuxième configuration moléculaire en réaction à l’absorption de lumière d’une longueur d’onde définie, dite de photo-isomérisation. La deuxième configuration moléculaire entraine un changement de forme du film 4.
- Tel qu’illustré sur la
, le film photoactif 4 est déposé seulement sur une partie distale de l’un des bras 3a du diapason 2. Bien entendu, d’autres configurations sont possibles. Par exemple, le film 4 peut être déposé plus proche de la base du diapason 2, ou les deux bras 3a, 3b peuvent être pourvus d’un film 4. La géométrie du film 4 (longueur, largeur) est également variable. - Le film 4 est déposé sur le diapason 2 au moyen d’un matériau adhésif. Ce matériau adhésif est de type mou et visqueux. Il peut notamment comprendre de la glycérine.
- Selon un mode de réalisation préféré, les molécules photo-commutables comprennent des motifs avec des azobenzènes.
- Des exemples de deux molécules d’azobenzènes 1A, 1B pouvant être utilisées pour la préparation du film photoactif dans le cadre de la présente invention sont montrés sur la
. Le film photoactif peut, par exemple, être en un matériau hybride à base d’azobenzènes alkoxysilanes. Les molécules sont représentées dans les deux configurations E et Z. La synthèse des molécules et la préparation d’un tel matériau sont décrites, par exemple, dans les documents S. Guo et al., RSC Adv., 2014, 4, 25319 ; S. Guo et al., J. Mater. Chem. C, 2013, 1, 6989 ; et S. Guo et al., J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 15434. - La commutation entre la configuration moléculaire E et la configuration moléculaire Z est induite par l’illumination des molécules avec une radiation à une longueur d’onde de photo-isomérisation. Dans le cas représenté sur la
, cette longueur d’onde est de 345 nm. - La commutation entre l’isomère Z et l’isomère E est induite par de la lumière blanche.
- Le système moléculaire à base d’azobenzènes se présente en des couches auto-assemblées. Cette auto-organisation des molécules permet un effet de déformation du film plus grand en présence de l’irradiation de photo-isomérisation. Un exemple de couches auto-assemblées 12 est représenté sur la
(a). Dans cet exemple, 5 couches sont représentées. Une couche auto-organisée 12 de molécules d’azobenzène alkoxysilanes 1A, 1B est montrée en détail. - La
(b) illustre schématiquement un film photoactif 4 comprenant des couches auto-assemblées d’azobenzènes, indiqué par une pluralité de couches 12. Le film 4 est montré sans (en haut) et avec (en bas) illumination à la longueur d’onde de photo-isomérisation. - Lorsque le film 4 est illuminé avec de la lumière à la longueur d’onde de photo-isomérisation (ici de la gamme UV), le film 4 se déforme en se courbant et se repliant sur lui-même, sous l’effet de la commutation moléculaire. En effet, le changement de configuration (E à Z) des molécules entraîne une augmentation du volume libre occupé par les molécules, ce qui se traduit par un allongement de la couche qu’elles composent. Comme le film 4 n’adhère au diapason que partiellement, la partie libre du film 4 se recourbe. Le diapason est alors soumis à un changement de son coefficient de raideur.
- La déformation du film 4 persiste tant que la radiation de photo-isomérisation est incidente sur le film 4.
- Lorsque l’illumination de photo-isomérisation cesse, le film 4 retrouve sa forme d’origine. Le film 4 peut notamment être exposé à de la lumière blanche. Ceci est illustré par la flèche hν dans la
(b). Le film 4 peut également retrouver sa forme initiale sous l’effet de la chaleur. - Le mouvement qu’effectue le film 4 lors de la photo-isomérisation et lorsque celle-ci cesse est illustré sur la
(a) par une flèche. - La
(a) montre la dépendance de l’angle de courbure du film photoactif 4 de la puissance de l’irradiation de photo-isomérisation. Un angle de 0° correspond à un film 4 plan, sans aucune courbure ( (b)). D’autres exemples d’angles sont donnés à titre d’illustration. Plus l’intensité de l’irradiation est importante, plus la courbure du film est prononcée. Une plus grande courbure du film 4 entraine une plus grande augmentation du coefficient de raideur du diapason sur lequel le film 4 est déposé. - La fréquence de résonance du diapason f 0 dépend de sa masse m ainsi que de son coefficient de raideur k selon l’équation suivante :
-
- Il est alors possible de varier la fréquence de résonance en variant le coefficient de raideur du diapason.
- Ce mécanisme est particulièrement bénéfique lorsque le transducteur selon l’invention est mis en œuvre dans une sonde pour un microscope à force atomique à modulation de fréquence (AFM-FM). Le diapason est alors mis en vibration à sa fréquence de résonance qui est asservie. Lorsque le transducteur est approché de la surface à sonder, des forces s’exerçant entre une extrémité du diapason et la surface modifient la fréquence de vibration du diapason. Ce décalage de fréquence est utilisé pour reconstituer la topographie de la surface.
- Pour augmenter la résolution de l’AFM-FM, il est nécessaire de diminuer la distance entre la surface à mesurer et la sonde. Ceci implique l’augmentation de la fréquence de vibration f du diapason due à l’apparition de forces répulsives, et notamment de type van der Waals. Pour compenser cet effet et garder la différence entre la fréquence de vibration et la fréquence de résonance petite, le coefficient de raideur et, par conséquent, la fréquence de résonance du diapason sont modifiés par la photo-isomérisation d’un ou plusieurs films photoactifs présents sur celui-ci. Ainsi, la distance entre le diapason et la surface à sonder peut être diminuée.
- En effet, la rigidification du diapason permet au transducteur de s’approcher plus près de la surface à sonder, et d’obtenir une meilleure résolution pour détecter des structures plus petites.
- La
montre un exemple de mise en œuvre d’un transducteur 1 selon un mode de réalisation de l’invention dans une sonde pour un AFM-FM. Lorsque le film photoactif 4 n’est pas illuminé, le diapason 2 peut être rapproché à la surface 13 de l’échantillon jusqu’à une distance d_D-E,1, et lorsqu’il est illuminé à la longueur d’onde de photo-isomérisation, le diapason 2 peut être rapproché à la surface 13 de l’échantillon jusqu’à une distance d_D-E,2 < d_D-E,1. On constate que l’amplitude 15 de la distance Z pour le film illuminé est plus grande que l’amplitude 14 de Z pour le film non-illuminé. Ceci permet donc d’obtenir une mesure de la surface de l’échantillon avec une plus grande résolution. - Selon un mode de réalisation, une sonde selon la présente invention pour un AFM-FM comprend un transducteur optomécanique comme décrit ci-dessus. Une extrémité du diapason, et notamment au moins l’extrémité de l’un de ses bras interagit alors avec des atomes de la surface à sonder, comme illustré sur la
. - Selon un autre de mode de réalisation, la sonde selon la présente invention peut comprendre en outre une pointe nanométrique fixée à l’extrémité de l’un des bras du diapason du transducteur. C’est alors la pointe nanométrique qui interagit avec les atomes de la surface à sonder.
- Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention.
Claims (9)
- Transducteur optomécanique (1), comprenant :
l’au moins un film photoactif (4) comprenant des molécules photo-commutables, aptes à une commutation moléculaire entre une première configuration moléculaire et une deuxième configuration moléculaire en réaction à l’absorption de lumière d’une longueur d’onde définie, dite de photo-isomérisation, de sorte à ce que le film photoactif (4) soit soumis à un changement de forme, induisant une modification du coefficient de raideur du diapason (2).- un diapason (2) en matériau piézoélectrique comprenant deux bras (3a, 3b),
- au moins un film photoactif (4) déposé partiellement sur au moins une partie d’au moins l’un des bras (3a, 3b) du diapason (2),
- Transducteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’au moins un film photoactif (4) comprend au moins une couche auto-assemblée (12) comprenant des molécules photo-commutables.
- Transducteur (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’au moins un film photoactif (4) comprend un système moléculaire à base d’azobenzènes.
- Transducteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’au moins un film photoactif (4) est déposé sur le diapason (2) au moyen d’un matériau adhérent.
- Transducteur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le matériau adhérent comprend de la glycérine.
- Transducteur (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’au moins un film photoactif (4) est configuré pour reprendre sa forme initiale en réaction :
- à l’absence de lumière à la longueur d’onde de photo-isomérisation ;
- à la présence de lumière blanche ; et/ou
- à la présence de chaleur.
- Sonde pour un microscope à force atomique à modulation de fréquence, la sonde comprenant un transducteur optomécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’un des bras (3a, 3b) du diapason (2) est configuré pour interagir avec des atomes d’une surface (13) à sonder.
- Sonde selon la revendication précédente, comprenant en outre une pointe nanométrique fixée à l’extrémité de l’un des bras (3a, 3b) du diapason (2) du transducteur, configurée pour interagir avec des atomes d’une surface (13) à sonder.
- Microscope à force atomique à modulation de fréquence, comprenant une sonde selon la revendication 7 ou 8, le transducteur (1) étant attaché à une extrémité d’un levier.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2101161A FR3119679B1 (fr) | 2021-02-06 | 2021-02-06 | Transducteur optomécanique |
| PCT/EP2022/051407 WO2022167236A1 (fr) | 2021-02-06 | 2022-01-21 | Transducteur optomécanique |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EP4288786A1 true EP4288786A1 (fr) | 2023-12-13 |
Family
ID=75539518
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EP22704868.3A Withdrawn EP4288786A1 (fr) | 2021-02-06 | 2022-01-21 | Transducteur optomécanique |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20240094240A1 (fr) |
| EP (1) | EP4288786A1 (fr) |
| FR (1) | FR3119679B1 (fr) |
| WO (1) | WO2022167236A1 (fr) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US12239474B1 (en) * | 2024-07-09 | 2025-03-04 | King Saud University | Sensitive detection of low doses of beta particles using quartz crystal oscillators |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19633546C2 (de) * | 1996-08-20 | 2000-04-13 | Franz J Giesibl | Vorrichtung zum berührungslosen Abtasten von Oberflächen und Verfahren dafür |
| WO2004100365A1 (fr) * | 2003-03-28 | 2004-11-18 | Daishinku Corporation | Procede de regulation de la frequence destine a un vibreur du type a diapason et vibreur du type a diapason regule en frequence au moyen dudit procede |
| FR2969762B1 (fr) * | 2010-12-22 | 2013-02-08 | Commissariat Energie Atomique | Sonde de microscope a force atomique, son procede de preparation et ses utilisations |
| CN111690236B (zh) * | 2020-06-15 | 2021-08-03 | 清华大学 | 可逆光致变薄膜、制备方法、光致变方法及应用 |
-
2021
- 2021-02-06 FR FR2101161A patent/FR3119679B1/fr active Active
-
2022
- 2022-01-21 US US18/262,962 patent/US20240094240A1/en active Pending
- 2022-01-21 WO PCT/EP2022/051407 patent/WO2022167236A1/fr not_active Ceased
- 2022-01-21 EP EP22704868.3A patent/EP4288786A1/fr not_active Withdrawn
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3119679B1 (fr) | 2023-01-13 |
| WO2022167236A1 (fr) | 2022-08-11 |
| FR3119679A1 (fr) | 2022-08-12 |
| US20240094240A1 (en) | 2024-03-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Morris et al. | Atomic force microscopy for biologists | |
| TWI328676B (en) | Method and system for characterizing transparent thin-films using differential optical sectioning interference microscopy | |
| CA2431943C (fr) | Dispositif de visualisation bidimensionnelle ellipsometrique d'un echantillon, procede de visualisation et procede de mesure ellipsometrique avec resolution spatiale | |
| EP3388779A1 (fr) | Systeme et procede de metrologie optique en super resolution a l'echelle nanometrique en champ lointain | |
| Yaqoob et al. | Single-shot full-field reflection phase microscopy | |
| Schönherr et al. | Molecular resolution imaging and friction anisotropy of highly oriented polyethylene and poly (tetrafluoroethylene) by scanning force microscopy with chemically modified probes | |
| WO2022167236A1 (fr) | Transducteur optomécanique | |
| FR2818378A1 (fr) | Dispositif de renforcement de fluorescence large bande a faibles pertes et capteur optique biologique ou chimique l'utilisant | |
| US6469288B1 (en) | Near field optical microscope and probe for near field optical microscope | |
| Santesson et al. | Scanning force microscopy characterization of Langmuir-Blodgett films of sulfur-bearing lipids on mica and gold | |
| CN1238688C (zh) | 共光路双频外差共焦显微测量装置 | |
| WO2010092302A2 (fr) | Microscope de plasmon de surface a haute resolution comportant un interferometre heterodyne fibre | |
| FR2931582A1 (fr) | Dispositif de formation de piege optique a effet de champ proche optique et dispositif de piegeage associe | |
| Stout et al. | Optical force microscopy | |
| Beattie et al. | Raman scattering from confined liquid films in the sub-nanometre regime | |
| Romanenko et al. | Membrane-based in situ mid-infrared spectroscopic ellipsometry: A study on the membrane affinity of polylactide-co-glycolide nanoparticulate systems | |
| CN103235408A (zh) | Sb2Te3非线性超分辨盖玻片 | |
| EP2877836B1 (fr) | Procedes optiques pour l'observation d'echantillons et pour la detection ou le dosage d'especes chimiques ou biologiques | |
| Patil et al. | Combined atomic force microscopy and fluorescence correlation spectroscopy measurements to study the dynamical structure of interfacial fluids | |
| Nasrallah et al. | Circular mode: A new scanning probe microscopy method for investigating surface properties at constant and continuous scanning velocities | |
| EP3443362A1 (fr) | Procede et appareil de positionnement d'un micro- ou nano-objet sous controle visuel | |
| Lugmaier et al. | Phase contrast and DIC illumination for AFM hybrids | |
| Takayuki Okamoto et al. | Near-field scanning optical microscope using a gold particle | |
| Mukhtar | Development of compensated immersion 3D optical profiler based on interferometry | |
| CN2356314Y (zh) | 激光扫描力显微镜 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: UNKNOWN |
|
| STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE |
|
| PUAI | Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012 |
|
| STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE |
|
| 17P | Request for examination filed |
Effective date: 20230901 |
|
| AK | Designated contracting states |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR |
|
| DAV | Request for validation of the european patent (deleted) | ||
| DAX | Request for extension of the european patent (deleted) | ||
| REG | Reference to a national code |
Ref country code: DE Ref legal event code: R079 Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G01Q0010040000 Ipc: H03H0009215000 |
|
| GRAP | Despatch of communication of intention to grant a patent |
Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1 |
|
| STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED |
|
| RIC1 | Information provided on ipc code assigned before grant |
Ipc: H03H 9/215 20060101AFI20250617BHEP Ipc: G01Q 10/04 20100101ALI20250617BHEP Ipc: G01Q 60/32 20100101ALI20250617BHEP Ipc: G01Q 60/38 20100101ALI20250617BHEP Ipc: G01Q 70/14 20100101ALI20250617BHEP |
|
| RIN1 | Information on inventor provided before grant (corrected) |
Inventor name: LEMOUCHI, CYPRIEN Inventor name: BARILLE, REGIS Inventor name: TRAVERT, ARNAUD Inventor name: LE PLUART, LOIC |
|
| INTG | Intention to grant announced |
Effective date: 20250710 |
|
| RAP3 | Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred) |
Owner name: CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Owner name: UNIVERSITE DE CAEN NORMANDIE Owner name: UNIVERSITE D'ANGERS Owner name: ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D'INGENIEURS DE CAEN |
|
| STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN |
|
| 18D | Application deemed to be withdrawn |
Effective date: 20251111 |